IJzerertsagglomeratie: Theorie, praktijk en procesinzichten

Theorie en praktijk van ijzerertsagglomeratie

Agleratie van ijzererts is een collectieve term die het proces beschrijft waarbij een agglomeratiemengsel (rauwmengsel of groen mengsel) van ijzerertsfijnen, fluxen, brandstof (cokesbries) en fabrieksretourfijnen (bijv. Walschil, hoogovendstof, en teruggekeerde agglomeratfijnen) wordt omgezet in een specifieke vorm van agglomerat. Het bestaat uit het verwarmen van het agglomeratiemengsel met een deeltjesgrootte van minder dan 10 mm tot een temperatuur waarbij het oppervlak van elk korrel van het ladingmengsel begint te smelten en de gevormde smelt vloeibare bruggen creëert tussen korrels, die na verstolking een vast poreus materiaal genaamd agglomeraat opleveren met een geziefte grootte normaal van 5 mm tot 30 mm (bovengrootte kan oplopen tot 50 mm om aan lokale eisen te voldoen), en dat de operationele druk en temperatuuromstandigheden binnen de hoogoven (BF) kan weerstaan.

Het agglomeratieproces is een thermische operatie met smelt- en assimilatiereacties. Het eerste stadium van het agglomeratieproces is de vorming van de smelt, wat de reactie tussen fijne ijzerertsdeeltjes en fluxen omvat. De initiële smelt wordt gegenereerd uit hechtende fijnen tijdens verwarming via reactie tussen ijzererts en fluxen. Vervolgens worden kerndeeltjes deels geassimileerd of opgelost in de primaire smelt om meer smelt te vormen. Voordat volledige smelting wordt bereikt, daalt de agglomeratietemperatuur door de korte verblijftijd bij de maximumtemperatuur en dan verstolt de smelt en neerslaan mineralische fasen, wat resulteert in de vorming van de bindingsfasen.

Tijdens het agglomeratieproces vinden chemische reacties plaats bij hoge temperatuur en worden ijzererts en fluxen gecombineerd en vormen een agglomeraatkoek samengesteld uit ijzererts, silico-ferrieten van calcium en aluminium (SFCA), dicalciumsilicaat en een glasachtige fase. Agglomeratiereacties reguleren ook het volumefractie van elk mineraal wat de agglomeratkwaliteit kan beïnvloeden en dus de prestaties van de BF.

Het eerste stadium van agglomeratie is granulatie (nodulisatie of pelletisatie) van het agglomeratiemengsel, wat bestaat uit de homogenisatie in een mengtrommel gedurende enkele minuten met toevoeging van 6% tot 8% water. Het gegranuleerde agglomeratiemengsel wordt vervolgens op het doorlatende agglomeratierost geladen. De bedtop wordt verwarmd tot hoge temperatuur door een gasvormige brandstof en lucht wordt door het rooster aangezogen. Na een korte ontbrandingstijd wordt de verwarming van de bedtop gestopt en een smalle verbrandingszone of vlamfront (VF) beweegt naar beneden door het bed, waarbij elke bedlaag successief wordt verwarmd. In het bed worden de granulen verwarmd tot een temperatuurbereik van 1250 °C tot 1350 °C voor het realiseren van hun verzachting en dan deels smelting. In een reeks reacties wordt een half-vloeibaar materiaal geproduceerd dat, bij opeenvolgende afkoeling, kristalliseert in diverse mineralische fasen van verschillende chemische en morfologische samenstelling.

Processverloop in het agglomeratiebed

Tijdens het agglomeratieproces genereert de verbranding van cokes een hoge-temperatuurzone (verbrandingszone) die naar beneden door het agglomeratiebed beweegt. Fijne deeltjes reageren sneller en vormen de primaire smelt die grove ertsdeeltjes deels oplost. Een schematische weergave van een doorsnede van het agglomeratiebed van een onderbroken agglomeratieproces is weergegeven in Figuur 1. De voortgang van de cokesverbranding bepaalt het temperatuurprofiel en de vorming van verschillende zones in het bed. Naarmate de verbrandingszone naar beneden beweegt, vindt verstolking van de smeltfase plaats door luchtaanzuiging, wat resulteert in de vorming van de geagglomereerde zone. De zone onder de verbrandingszone bestaat uit het agglomeratiemengsel (niet-gereageerd materiaal) en kan in twee regio's worden gesplitst. De regio direct onder de verbrandingszone correspondeert met de dehydratatie van het agglomeratiemengsel door het hete gas uit de verbrandingszone, terwijl de zone onder deze regio het koude deel van het agglomeratiebed is waar de stoom condenseert.

In principe omvatten agglomeratiereacties reacties van fijn erts met fluxen resulterend in de vorming van een smeltfase die gebruikt wordt tijdens vast-vloeistofreacties voor de assimilatie van grof erts. De smelt die tijdens agglomeratie ontstaat fungeert als de bindingsfase. Omdat SFCA wordt beschouwd als de belangrijkste component van de bindingsfase vanwege zijn overvloed in het agglomeraat en zijn significante invloed op de agglomeraatkwaliteit, zijn agglomeratiereacties specifiek bestudeerd met betrekking tot de controle van de concentratie en microstructuur van de SFCA-fase die tijdens het agglomeratieproces ontstaat. Het volume van de smeltfase speelt een grote rol tijdens agglomeratie. Overmatige smelting resulteert in een homogene glasachtige structuur, die een lage reduceerbaarheid heeft, terwijl een erg lage concentratie van smelting onvoldoende agglomeraatsterkte veroorzaakt, wat resulteert in een hoog aantal retour-agglomeratfijnen.

De procesenergie wordt geleverd door verbranding van de cokesbries. Voor de verbrandingszone verdampt water en worden vluchtige stoffen afgedreven. In de verbrandingszone vinden reacties plaats die resulteren in de vorming van een stevig agglomeraat. Het merendeel van de warmte van de gassen die de verbrandingszone verlaten, wordt geabsorbeerd voor droging, calcinatie en voorverhitting van de lagere lagen van het bed. Wanneer de verbrandingszone de basis van het bed bereikt, is het proces voltooid en het hete agglomeraatkoek wordt van het rooster getild en grof verbroken in een hete brevker.

Agglomeratie is een continu proces. De agglomeratiestrand wordt gevormd door een reeks pallets, elk met zijwanden en een doorlatend rooster, dat met het agglomeratiemengsel geladen wordt, onder de ontbrandingskap passeert, aan benwaartse aanzuiging wordt blootgesteld, getild wordt, en dan terugkeert naar de laadpositie. De windkasten onder de strand zijn verbonden met een ventilator door een gasreinigingssysteem.

Agglomeratiemengsel

Het agglomeratiemengsel dat het agglomeratiebed vormt, bestaat voornamelijk uit ijzererts, cokesbries, fluxen en retourfijnen. Het gedrag van het agglomeratiemengsel tijdens agglomeratie en de kwaliteit van het agglomeraat is grotendeels afhankelijk van de chemische, granulometrische en mineralogische samenstelling van het ijzererts. De ertskennmerken beïnvloeden het agglomeratiegedrag en is dus een belangrijk aspect in agglomeratieproductie. Verschillende studies zijn uitgevoerd naar de invloed van de agglomeratiemengselsamenstelling op agglomeraatfasen, wat op zijn beurt invloed heeft op basiciteit (CaO/SiO₂), temperatuur, thermisch regime en Al₂O₃ (alumina) en MgO (magnesia) gehalten op de ferrieteninhoud, totale hematiet, gereoxideerde hematiet geoxideerd van magnetiet, reduceerbaarheidsindex (RI), reductiedegradatie-index (RDI) en trommelindex (TI), porositeit en cokestarief.

Het gedrag van het agglomeratiemengsel tijdens het agglomeratieproces hangt af van de chemische samenstelling. Verschillende studies zijn uitgevoerd om het effect van de chemische samenstelling van het agglomeratiemengsel op smeltvorming en assimilatiereacties te onderzoeken. Kleine veranderingen in de chemische samenstelling van ijzererts kunnen significante wijzigingen in fasenvorming tijdens agglomeratie induceren.

Agglomeraatkwaliteit is afhankelijk van de vorming van de bindingsfase, die op zijn beurt afhangt van de agglomeratievaardigheid van ijzererts. Aan de andere kant wordt de reactiviteit van ijzererts significant beïnvloed door de korrelgrootte wat de reactieoppervlakte en pakkingsdichtheid (porositeit) van het agglomeratiemengsel bepaalt. Daarom is de deeltjesgrootte van het ijzererts belangrijk om agglomeratiereacties tijdens het agglomeratieproces te controleren.

De verandering in ertsdeeltjesgrootte beïnvloedt het agglomeratieproces. Het is gevonden dat de assimilatievaardigheid van fijn ertsdeeltjes groter is dan die van grove deeltjes. De reactieoppervlakte voor fijn deeltjes is hoog wat resulteert in hoge reactiesnelheden. Echter, de vorming van hogere concentraties van smelt kan leiden tot toename in de viscositeit van de smelt, wat resulteert in een afname van de smeltvloeibaarheid. Daarom is de insluiting van grove deeltjes in het agglomeratiemengsel noodzakelijk om de doorlatendheid van het agglomeratiebed te verbeteren, wat geassocieerd is met een toename in grootschalige bewegingen tussen de smelt en vaste deeltjes.

De gemiddelde deeltjesgrootte van ijzererts beïnvloedt de doorlatendheid van het agglomeratiebed, wat op zijn beurt de agglomeraatmicrostructuur en productiviteit beïnvloedt. Grotere deeltjes bevorderen diffusiebinding, en kleinere deeltjes bevorderen slagenbinding in het agglomeratieproces. Een hoog fractie van kleine deeltjes vormt overmatige hoeveelheden smelt, wat resulteert in een verslechtering van de agglomeraatkwaliteit, terwijl het agglomeraat van grote hoeveelheden grove deeltjes resulteert in een afname van de agglomeraatsterkte. Het is gevonden dat toename in gemiddelde deeltjesgrootte van ijzererts de agglomeratieproductiviteit verhoogde.

Tijdens een studie van de agglomeratiebaarheid van het agglomeratiebed waarin grote deeltjes zijn geïntegreerd, is gevonden dat het gebruik van grotere ertsdeeltjes resulteert in verbeterde doorlatendheid van het agglomeratiebed alsmede de agglomeratiereacties tijdens het proces. Wanneer grote deeltjes in het bed worden geplaatst, worden laagdichtheidsgebieden gevormd rond de deeltjes. Door de toename in doorlatendheid van het agglomeratiebed is de gasstroomsnelheid evenals de VF-snelheid hoger rond de grote deeltjes dan met fijn deeltjes. Daarom kan de smeltreactie en de assimilatie snel plaatsvinden rond de grote deeltjes door de hoge vloeibaarheid van de smelt.

De deeltjesgrootteverdeling heeft ook effect op de pakkingsdichtheid van gecompacteerde pellets, wat agglomeratiesnelheden beïnvloedt. De pakkingsdichtheid van mengsels bestaande uit fijn deeltjes verbetert door een aantal van hen te vervangen door grove deeltjes. Tijdens compactie kunnen de vaste deeltjes dichter bij elkaar komen, wat resulteert in een hoog aantal contacten tussen deeltjes en een hoge pakkingsdichtheid (lage porositeit). De vervanging van fijn deeltjes door grote deeltjes leidt tot een toename in de pakkingsdichtheid tot een maximum, waarna het afneemt voor hogere fracties van grove deeltjes. De maximum pakkingsdichtheid treedt op op het punt waar alle leegtes tussen de grove deeltjes gevuld zijn door kleine deeltjes. De aanwezigheid van grove deeltjes kan dus gecompacteerde poeders produceren met een hogere pakkingsdichtheid (lagere porositeit), wat resulteert in een toename in agglomeratiesnelheden.

De ultrafijne inhoud in een ertsmengsel, met name de min 50 micrometer (micron) fijnfractie, speelt een vitale rol in granulatie, allereerst in het initiëren van de vorming van een coatinglaag rond de kernedeeltjes en vervolgens in het binden van de grotere hechtende fijnen met de coating.

Cokes is de beste brandstof voor ijzerertsagglomeratie. Formaatclassificatie is een cruciale factor. De beste economie en efficiëntie wordt bereikt met een cokesdeeltjesgrootte van minder dan 3 mm. Sommige studies hebben aangetoond dat de beste cokesgrootte voor agglomeratieproductiviteit en reduceerbaarheid ligt tussen 0,25 mm en 3 mm. Een andere studie heeft aangetoond dat hoewel een cokesgrootte van minder dan 0,25 mm een negatief effect heeft op productiviteit; het de efficiëntie van het verbrandingsproces niet beïnvloedt. Verder is de grovere fractie te verkiezen en is economischer in termen van verbruik. Vergelijking van verschillende cokesbriesgroottefracties heeft aangetoond dat betere resultaten worden bereikt met grove cokes (minder dan 3 mm en groter dan 1 mm) dan met fijn cokes (minder dan 1 mm). Fijn cokes wordt voornamelijk beschouwd als hechtende fijn in granulatie wat de oppervlaktecoating rond de korrels vormt. Fijn cokes verbrandt snel, terwijl grove cokes langzamer verbrandt en de VF kan verbreden, wat leidt tot een mogelijke productiviteitsverlies. Ook is een grovere brandstof economischer, versterkt agglomeratieproductie, verbetert RDI en verlaagt SO₂-emissies.

Het effect van de cokesdeeltjesgrootte in het agglomeratiebed op productiviteit, cokesverbruik en agglomeraatkwaliteit is bestudeerd in agglomeratiepot-tests. Deze tests hebben aangetoond dat de grovere cokesbriesfractie leidt tot een hogere VF-snelheid en betere verbrandingsefficiëntie. Fijn cokes bereikt slechtere verbrandingsefficiëntie, produceert minder warmte en verlaagt de agglomeratietemperatuur. Als gevolg hiervan moet het cokestarief verhoogd worden wanneer fijner cokes wordt gebruikt om de agglomeraatkwaliteit te behouden.

Granulatie van agglomeratiemengsel

Het doel van granulatie is om de fijn deeltjes aan elkaar te laten hechten en grovere deeltjes te vormen. Als resultaat bevat het gegranuleerde erts een kleiner bereik van deeltjesgroottes, en biedt daardoor minder weerstand aan de doorlaat van de gassen.

Granulatie is van basisbelang voor de agglomeratie van ijzererts, aangezien een goede agglomeratiebeddoorlatendheid grotendeels de snelheid bepaalt waarmee het proces verloopt en dus de productiviteit van de agglomeratiefabriek. De granulatie van het agglomeratiemengsel wordt doorgaans uitgevoerd in een rotatietrommel vóór het agglomeratieproces, gedurende enkele minuten met toevoeging van 6% tot 8% water. Het complete granulatieproces duurt ongeveer 30 minuten tot 1 uur, inclusief de toevoeging van vocht, granulatie en invoeging in de agglomeratiemachine.

De initiële studies over de structuur van gegranuleerde agglomeratiemengsels werden uitgevoerd bij Nippon Steel Corporation (NSC). Deze studies hebben de term 'quasi-deeltje' ook wel pseudo-deeltje genoemd (Figuur 2), geïntroduceerd, wat samengesteld is uit een ijzerertskern. Tijdens agglomeratie blijft deze quasi-deeltje deels ongesmolten, omringd door fijne ertskorrels met silica (SiO₂) gangue en in aanwezigheid van hoge basiciteit (CaO/SiO₂).

Tijdens het granulatieproces worden quasi-deeltjes gevormd wanneer de fijn deeltjes (minder dan 0,2 mm) hechten op het oppervlak van grote deeltjes (groter dan 0,7 mm) en dan granulen vormen. Intermediaire deeltjes (0,2 mm tot 0,7 mm) zijn moeilijk te granuleren en hebben geen goed gedefinieerde rol. In de praktijk moet de hoeveelheid intermediaire deeltjes geminimaliseerd worden vanwege hun nadelige invloed op granulatie en nadelig effect op doorlatendheid van het agglomeratiebed. Een toename in vochtgehalte van het agglomeratiemengsel kan de intermediaire deeltjes laten fungeren als hechtende fijnen, die slecht hechten op de grove deeltjes, en kunnen loskomen tijdens het droogstadium. De intermediaire deeltjes kunnen ook als kernen fungeren en quasi-deeltjes vormen met kleine grootte vergeleken met die gevormd met grovere kernen. Dit kan de doorlatendheid van het agglomeratiebed alsmede de productiviteit van het agglomeratieproces aanzienlijk verminderen.

Tijdens het agglomeratieproces vormen ferrieten in de laag die gehecht is aan de kern door de vast-vloeistofreactie tussen hematiet en een CaO-Fe₂O₃-smelt die kleine hoeveelheden SiO₂ en Al₂O₃ bevat. Hechting wordt sterk beïnvloed door het beschikbare vocht voor granulatie. Andere factoren zoals de aard van de kern, deeltjesvorm en oppervlakte-eigenschappen zijn van secundair belang.

Het vochtgehalte in het agglomeratiemengsel dat geagglomereerd moet worden, is een zeer belangrijke parameter in het granulatieproces. Het proces van hechten van fijn deeltjes aan kernen om quasi-deeltjes te vormen, wordt zeer sterk beïnvloed door het beschikbare vocht voor granulatie (totaal vocht minus vocht geabsorbeerd door agglomeratievoedercomponenten). Maximale productie wordt bereikt met de optimale vochtttoevoeging, wat minder is dan dat nodig is voor maximale luchtdoorlatendheid. Het is normaal om te opereren rond 0,85 keer dat nodig is voor de maximum doorlatendheid. Dit is omdat vocht condenseert in de onderlaag van het bed na verdamping van het bovenste deel als de VF nadert. Condensatie vindt normaal plaats tijdens de eerste 2 minuten van agglomeratie voordat het agglomeratiemengsel het dauwpunt bereikt.

Goede controle van vochtttoevoeging is essentieel. Water toevoeging in de mengtrommel moet worden aangepast om het ingestelde vochtgehalte te behouden. Automatische controle is gewenst boven handmatige methoden aangezien het een snellere reactie en consistentere voeding aan de agglomeratiestrand garandeert.

Granulatie die wordt uitgevoerd door rollen van de materialen in een roterende trommel, vergroot de granulaatgrootte door hechting die essentieel voortkomt uit de werking van twee typen krachten: (1) 'vergrendeling' van de deeltjes, en (2) aantrekking door het creëren van vloeistoffase 'bruggen' tussen de deeltjes. Het belang van de grootte van de vergrendelingskrachten kan worden gevarieerd door de volgorde van vorming van het te agglomereren mengsel aan te passen om de aggregatieve werking van de granulatiekern te bevorderen die door een gegeven component wordt geleverd (bijv. de retour-agglomeratfijnen).

De grootte van de vergrendelingskrachten kan ook worden gevarieerd door de agglomeratiemengselvormingsvolgorde aan te passen om een selectieve granulatie of pre-agglomeratieproces op te nemen. In dergelijke gevallen omvat dit het behandelen van de ertsfijnen en concentraten, sommige retour-agglomeratfijnen en kalk apart met een additionele productielijn. Deze materialen worden met water gemengd en micro-gepelletiseerd in een trommel of schijf voordat ze in de hoofdgranulatiecircuit vóór de granulatie trommel worden geïntroduceerd. In dit proces fungeren de retour-agglomeratfijnen als de kern en kalk als het agglomeratiemiddel. Deze praktijk laat het gebruik van een groter bedrag fijnen toe zonder productiviteitsverlies.

Krachten van het laatstgenoemde type (bruggen) ontstaan door de aanwezigheid van water dat aan het mengsel wordt toegevoegd, en hun effect kan worden verhoogd door het gebruik van additieven. In beide gevallen (vergrendeling en bruggen) is de sterkte van de gegranuleerde deeltjes niet hoog. Het is slechts voldoende om te waarborgen dat het gegranuleerde mengsel getransporteerd en gelaagd kan worden op het agglomeratierost zonder te breken. De grootteverdeling van een gegranuleerd mengsel wanneer het op het agglomeratierost wordt gevoerd, varieert van ongeveer 1 mm tot 10 mm.

De studie om de structuur van de granulen in driedimensionale beelden te achterhalen, wordt doorgaans gedaan met behulp van de 3D Röntgen-tomografie techniek. In een dergelijke studie zijn mengsels van ijzerertsfijnen (concentraten), retour-agglomeratfijnen en kalksteen voorbereid bij concentraat/erts verhoudingen van 20:80, 50:50, 80:20 en 100:0 en agglomeraten geproduceerd met basiciteiten van 0,8, 1,4 en 2,0. Het incorporeren van verhoogde hoeveelheden concentrates in het agglomeratiemengsel heeft de granulatie complexer gemaakt.

Superfijne deeltjes hechten niet alleen aan grove deeltjes maar kunnen ook duurzame kernen vormen terwijl ze deeltjes van intermediaire grootte binden, en hoe meer super-fijnen in het agglomeratiemengsel worden gebruikt, des te minder voorspelbaar is de grootteverdeling van de granulen. Granulen behorend tot het agglomeratiemengsel zonder grof erts (concentraat/erts verhouding van 100:0) hadden geen kern en heel weinig kalksteendeeltjes hechten aan het oppervlak dat initieel wordt gevormd door het pelletiseringsmechanisme, en presenteert een vergelijkbare structuur als die van pellets. Granuleringsgedrag kan niet volledig worden verklaard door één enkele factor, zoals de concentraat/erts verhouding, en veranderingen in de ertsmineralogie, samenstelling en hoeveelheid gangue, warmteverbruik en watergehalte in het mengsel, zijn allemaal zeer relevante factoren.

Agglomeratieproductiviteit is direct gerelateerd aan beddoorlatendheid. Op zijn beurt is doorlatendheid gerelateerd aan de granulaatgrootteverdeling en gemiddelde granulaatgrootte, die afhankelijk zijn van de vochtttoevoeging. Doorlatendheid stijgt tot een maximumwaarde als functie van het vocht. Maximale productiviteit wordt verkregen met 85% van het vocht dat vereist is voor maximum doorlatendheid vanwege de condensatie van vocht in de onderlaag van het bed.

In enkele studies die uitgevoerd zijn voor het voorspellen van het granuleringsgedrag van een aantal ijzerertssoorten van verschillende aard, is een vergelijking voorgesteld om het optimale vocht van het rauwmengsel te berekenen als functie van de aard, samenstelling en granulometrie van de ertsen. Het optimale vochtgehalte is gedefinieerd als de laagste hoeveelheid nodig om maximale beddoorlatendheid te bereiken. De vergelijking wordt toegepast voor elke erts en ertsmengsel, met de toevoeging van cokes, flux en retour-agglomeratfijnen. Goede correlatie is gevonden tussen experimentele en berekende waarden.

In enkele andere studies over granulatie is apparatuur ontworpen om het vochtgehalte van verschillende typen ijzererts en ertsmengsels te bepalen. Het vochtgehalte is gedefinieerd als de maximale waterinhoud die tussen ertsdeeltjes kan worden behouden. Het is gezien dat het vochtgehalte toeneemt in lijn met het externe oppervlak en afneemt naarmate het ertsporevolume stijgt. De vergelijking om de verhouding tussen het optimale vocht (W) en vochtgehalte (VG) te bepalen die is gevonden, is W = 6,94 + 0,12 VG. De experimentele data heeft een zeer hoge correlatie tussen W en VG aangegeven.

Op basis van verdere studies alsook initiële studies is de vergelijking voorgesteld voor het berekenen van het optimale vocht (W) als functie van de aard, samenstelling en granulometrie van het ijzererts: W = 2,28 + 0,427 L + 0,810 A – 0,339 S + 0,104 D + 0,036 E waarbij L is het ertsgewichtsverlies tijdens verwarmen in gram, A is % Al₂O₃ in erts, S is % SiO₂ in erts, D is ertsgroottefractie kleiner dan 0,2 mm, en E is de ertsgroottefractie tussen 0,2 mm en 1 mm. Het is vastgesteld dat een monster met een hoger vochtgehalte hogere waterinhoud vereist voor het bereiken van de beste beddoorlatendheid. Het is niet mogelijk om doorlatendheid direct te relateren aan de aard van de erts.

Studies zijn ook uitgevoerd om het effect van vochtttoevoeging en benetbaarheid op granulatie te bepalen door de contacthoek tussen ijzeroxide en water en de ijzerertsgranulatiegeschiktheid te bepalen. De studie beschouwde verschillende typen ertsen om de interactie tussen diverse parameters te bepalen: (1) aard van erts (porositeit), (2) vochtgehalte, (3) benetbaarheidstijd, (4) meting van erts-water contacthoek, (5) oppervlakteruwigheid, (6) toer van pelletiserings trommel, (7) hechtende fijn verhouding (AR) van fijn deeltjes, en (8) breuksterkte (BS) van quasi-deeltjes. De beste granulatie wordt bereikt met een goethiet ertskern, met hoge porositeit, lage ruwheid en een lage contacthoek (meer benet).

Tweefasen granulatie systemen zijn ook gebruikt in sommige agglomeratiefabrieken. Het tweefasen granulatie systeem helpt bij het behandelen van fijn ertsen terwijl de VF-snelheid, doorlatendheid en productiviteit van het proces worden verhoogd.

Het is voordelig om het conventionele granulatieproces te verbeteren, vooral bij het gebruik van goethiet en limoniet ertsen die doorgaans een hoger Al₂O₃ gehalte vertonen dan hematiet erts en leiden tot verslechtering van agglomerateigenschappen. In dit opzicht hebben studies aangetoond dat agglomeraatkwaliteit verbetert wanneer de conventionele granulatiestadium in de trommelmenger wordt gevolgd door een tweede stadium. In het eerste stadium wordt het mengsel van ijzererts en retour-agglomeratfijnen in de trommel geplaatst. In het tweede stadium worden cokes plus kalksteen plus dolomiet toegevoegd aan het mengsel resultant uit het eerste stadium en het gegranuleerde wordt gevormd door een kern samengesteld voornamelijk van ijzererts omringd door cokes en flux. Dit coating granulatieproces verbetert de fluxvormingsreactie door de segregatie van CaO (calciumoxide) van de kalksteen op Fe (ijzer) van het ijzererts. Dit resulteert in agglomeratie die plaatsvindt bij een lagere temperatuur, verbetert doorlatendheid en productiviteit, en verlaagt de vorming van secundaire hematiet, met de consequentie van verbetering in de RDI. De TI en reduceerbaarheid verbeteren ook, door de vorming van meer microporiën, die ook de voortplanting van scheuren verantwoordelijk voor verslechtering van de RDI voorkomen.

De mengtijd in de trommel in het tweede stadium is zeer belangrijk, en ongeveer 50 seconden is vastgesteld als de optimale tijd. Een kortere tijd laat de kern niet goed gecoat worden met cokes + flux. Een langere tijd veroorzaakt vernietiging van de quasi-deeltjes, door de insluiting van cokes en flux in de granulen (van de kern), en levert een vergelijkbaar quasi-deeltje op als dat verkregen in eentaps conventionele granulatie.

Gedetailleerde studies zijn uitgevoerd op de cokes en kalksteen coating granulatie methode met als doel productiviteit, reduceerbaarheid en BF bedrijf te verbeteren. Deze technologie bestaat uit het coaten van cokes en kalksteen op het oppervlak van quasi-deeltjes die gegranuleerd zijn in het primaire deel van de trommelmenger. Cokes en kalksteen worden geïnjecteerd vanaf het einde van de trommelmenger door de bandtransportator met hoge snelheid om hun coating op de quasi-deeltjes te bereiken. De coating granulatie tijd is de belangrijkste controlefactor en wordt aangepast door de transportsnelheid te veranderen. De normale tijd ligt in het bereik van 40 seconden tot 60 seconden, met kortere tijden niet alle quasi-deeltjes gecoat zijn, en met langere tijden het quasi-deeltje vernietigd wordt.

Studies zijn ook uitgevoerd om de segregatie van apart gegranuleerde deeltjes (cokes coating en kalksteen coating) te beoordelen, en in beide gevallen van de granulaties is de productiviteit gestegen vergeleken met conventionele productiviteit. Cokes coating verbetert de cohesiespanning van quasi-deeltjes en verbetert dus de doorlatendheid in de natte zone. Met kalksteen coating presenteert het agglomeraat een lagere secundaire hematietinhoud en een structuur met scheurentolerantie (verbeterde RDI), meer primaire hematiet en SFCA (verbeterde RI), en verbeterde smeltvloeibaarheid. In de BF verbetert de schachtefficiëntie met 1%, en het reducerende middel tarief kan met 7 kg/ton rood ijzer worden verlaagd.

Selectieve granulatie technologie wordt ook in sommige agglomeratiefabrieken in Japan gebruikt. Deze technologie wordt gebruikt om de agglomeratie van ijzererts met hoog Al₂O₃ gehalte toe te laten, wat anders moeilijk te agglomereren is door de lage reactiviteit van Al₂O₃ dragende materialen en de hoge viscositeit van primaire smelten. Selectieve granulatie bestaat uit het ziefen van de erts en het zenden van de grotere groottefractie die een lager Al₂O₃ gehalte heeft naar de conventionele granulatiecircuit, terwijl de kleinere groottefractie met een hoger Al₂O₃ gehalte in granulen van grootte 2 mm tot 5 mm wordt gepelletiseerd die in de conventionele granulatiecircuit worden geïntegreerd. De kleinere groottefractie bevat klei-achtige ertsen die hoog in Al₂O₃ zijn en hogere smelttemperaturen vereisen. De selectieve granulatie bereikt een granulaatkern met hoger Al₂O₃ gehalte dan conventionele granulatie. Met dit proces hechten de fijnen aan de kern met een lager Al₂O₃ gehalte door te reageren met de kalksteen en bevorderen de vorming van de primaire smelt bij een lagere temperatuur.

Het selectieve granulatieproces heeft een hoge ruwstoffen verwerkingssnelheid, en kan kleverige ruwstoffen continu verwerken. Verder worden een brandstof cokes reductie en een blaazer vermogensreductie bereikt. Ook wordt de productiviteit verbeterd en het FeO gehalte verlaagd. De verbetering van de reduceerbaarheid leidt op zijn beurt tot een reductie in cokesverbruik in de BF. Er is ook verbetering in de RDI waarde van het agglomeraat.

Vlamfront

Vlamfront of verbrandingszone temperatuur heeft een zeer grote impact op agglomeratietijd en productiviteit aangezien het invloed heeft op VF doorlatendheid. Over het algemeen is het verlagen van de VF temperatuur zeer gunstig voor productiviteit aangezien de weerstand van de VF aan luchtstroom een functie is van de gassnelheid tot de macht drie. Het verhogen van de VF temperatuur verhoogt significant de luchtstroomweerstand en leidt tot verhoogde agglomeratietijd en verminderde productiviteit. Het meten van de temperatuur op verschillende niveaus in het agglomeratiebed stelt de beweging van de verbrandingszone te monitoren en het concept van de VF snelheid te definiëren als de snelheid waarmee het niveau waar de snelste temperatuurstijging plaatsvindt door het bed beweegt. Figuur 3 toont de ideale temperatuur (warmte) verdeling in het agglomeratiebed.

De verbrandingstijd in de hoge temperatuurzone (hoger dan 1100 °C) moet kort zijn (1,5 minuten) aangezien de partiële zuurstofdruk (pO₂) in deze zone laag is door cokesverbranding en FeO, wat schadelijk is voor de agglomeratreduceerbaarheid, gemakkelijk wordt gevormd. De afkoelingstijd (tot 1100 °C) moet lang zijn (van 3 minuten tot 5 minuten) om een stevige agglomeraatstructuur te bereiken door de vorming van een gangue matrix, wat begunstigd wordt met de aanwezigheid van SiO₂ (silica). Tijd-temperatuurprofielen zijn gemeten in verschillende posities in het bed, en duiden erop dat de breedte en Tmax van de verbrandingszone toenemen naarmate het door het bed daalt.

Om een uniforme Tmax te bereiken, wordt tweelagen agglomeratie in sommige agglomeratiefabrieken uitgevoerd. Dit bestaat uit het voorbereiden van het bed met hogere cokesinhoud in de bovenlaag dan in de onderlaag om de neiging van Tmax te stijgen te compenseren. Naast tweelagen om warmteverdeling in het bed te controleren, is continue meetapparatuur ontwikkeld die direct de temperatuurverdeling door het bed signaleert, samen met een apparaat om de verdeling van het aangezogene volume door het agglomeratierost te meten. De warmteverdeling kan worden gecontroleerd door de strandsnelheid en de cokesinhoud in het agglomeratiemengsel aan te passen.

Er is een relatie tussen maximale VF temperatuur en agglomeraatstructuur. Wanneer agglomeratie wordt uitgevoerd bij een temperatuur onder 1300 °C, bij ongeveer 1200 °C wordt een smelt (bestaande voornamelijk uit Fe₂O₃ en CaO) gegenereerd in het agglomeratiebed, en de ijzeroxide en fijn deeltjes worden geassimileerd in de smelt. Als de smelt het hematietkorrel penetrateert, treedt interfaciale afbraak op, wat een primaire hematiet (ongesmolten) achterlaat wat als gunstig voor agglomeratie wordt beschouwd aangezien het de RI verbetert. Wanneer CaO en Al₂O₃ in de smelt geassimileerd worden, reageert dit met de ijzeroxide en genereert naaldvormige calciumferriet (van een grootte minder dan 10 micron) die Al₂O₃ en SiO₂ als vaste oplossingen bevat, volgens de algemene reactie Fe₂O₃ + CaO + SiO₂ + Al₂O₃ → SiO₂·CaO·(Fe, Al)₂O₃. De silico-ferriet van calcium en aluminium (SFCA) wordt beschouwd als een zeer gunstige component voor de agglomeraatstructuur aangezien het goede reduceerbaarheid bezit en de agglomeraatmechanische sterkte toekent, en de scheringsindex (SI) en trommelindex (TI) verbetert.

Tijdens de agglomeratie bij lage temperatuur (minder dan 1300 °C) neemt de vorming van magnetiet af (minder FeO) en verbetert agglomeratie de RI en verlaagt (verbetert) de RDI. Ook wordt de optimale structuur voor agglomeratreduceerbaarheid in de BF bereikt, die gevormd wordt door een hematietkern (ongesmolten) omringd door een naaldvormig ferriet rooster. Bij agglomeratie bij een temperatuur hoger dan 1300 °C, lost een deel van de ferriet op en smelt om te converteren in hematiet of magnetiet en in gangue componenten. Wanneer de smelt afkoelt vormt het als nieuwe fasen van (1) grote ferriet kristallen, wiens reduceerbaarheid inferieur is aan de naaldvormige ferriet, en (2) secundaire hematiet, wat nadelig is voor de RDI. Figuur 4 illustreert schematisch de ontwikkeling van de verschillende structuren van agglomeraat als functie van de Tmax bereikt in het bed.

Tabel 1 toont de variantie van de fasensamenstelling en agglomeraatkwaliteitsindices als functie van de temperatuur Tmax.

Tabel 1: Typische waarden van fasensamenstelling en agglomeraatkwaliteit bij maximum temperatuur in het bed
Onderwerp	Eenheid	Rond 1200 °C	Rond 1250 °C	Rond 1300 °C
Primaire hematiet	%	50	42	22
Secundaire hematiet	%	5	5	20
Magnetiet	%	10	15	20
SFCA	%	35	38	30
Glas + 2CaO·SiO₂	%	7	10	12
FeO	%	35	30	15
Porositeit	%	3	4	5,5
RDI	%	30	32	36
Reduceerbaarheidsindex	%	72	70	64
Scheringsindex (SI)	%	93	94	95

De beste resultaten worden verkregen bij de temperatuur van ongeveer 1250 °C, met een maximum percentage ferrieten, hoge primaire hematiet, lage secundaire hematiet, goede porositeit, en goede kwaliteitsindices (FeO, RDI, RI en SI).

Verzachting en smelting van agglomeraat in BF

De BF operatie is afhankelijk van de geometrie en conditie van de cohesieve zone, die begrensd wordt door de verzachting (VT) en smelting (ST) isothermen. De cohesieve zone bestaat uit afwisselende lagen van zacht agglomeraat en cokes. Het laatstgenoemde (bekend als 'cokes venster') laat het reducerende gas door naar de BF schacht. Daarom is het belangrijk dat de cohesieve zone zo smal mogelijk is, om de penetratie van het reducerende gas te vergemakkelijken, en zo laag mogelijk in de BF, zodat de voorbereidingszone boven de cohesieve zone voldoende groot is om de reductie van ijzeroxiden toe te laten. Om aan beide voorwaarden te voldoeren moeten de VT en ST zo hoog mogelijk zijn en het verschil tussen hen minimaal. Een deel van de cokesbesparing in de BF vindt plaats door de verbeterde agglomeraatkwaliteit, in het bijzonder de reduceerbaarheid en hoge temperatuureigenschappen.

Verschillende studies zijn uitgevoerd in het fundamentele mechanisme onderliggend aan de verzachting en smelting van het agglomeraat in de BF. De reeks die plaatsvindt tijdens verzachting en smelting bestaat uit (1) pre-verzachting, (2) verzachting, (3) exsudatie, en (4) druppelstadium. Het verzachtingsmechanisme is gerelateerd aan de smeltsnelheid van de kern als functie van de temperatuur. Deformatie wordt beschouwd als direct gerelateerd aan de macro-porositeit gegenereerd door de overdracht van smelt van de kern naar de buitenlaag. Initiële smeltvorming speelt een rol in de start van verzachting, reductie, vertraging en druppelen van smelt uit het bed.

In een van de studies in een experimentele unit die een maximum temperatuur van 1400 °C bereikt, is de verzachting en smelting van agglomeraten bepaald voor verschillende basiciteiten (bereik 1,5 tot 3,0), MgO gehaltes (bereik 3,3% tot 10%) en veel agglomeratreduceerbaarheidsgraden. Het verzachtings-smeltingsbereik is gedefinieerd als het temperatuurbereik tussen het punt van omkering (T1 verzachting) en 10% krimp (T2 smelting). Het is opgemerkt dat het gedrag van de BF verbetert (lagere en smalere cohesieve zone) naarmate de agglomeraat/erts verhouding in de BF lading toeneemt.

Een andere studie gedaan voor het vinden van het effect van het FeO gehalte in agglomeraat (agglomeraattype A 10% en agglomeraattype B 12%) op verzachting en smelting, en de impact op de BF werking. Het agglomeraat met meer FeO veroorzaakte vroege verzachting van de lading, een fenomeen wat ongewenst is in de BF. Ongereduceerd FeO wordt gereduceerd bij een hogere temperatuur, volgens de vergelijking FeO + C = Fe + CO, en dergelijke directe reductie in een hogere hoeveelheid leidt tot een hogere cokestarief in het proces. Een lagere windvolume, productie en productiviteit zijn ook opgemerkt in vergelijking met het gedrag van de BF wanneer het werkt met een agglomeraatlading met 10% FeO. Een daling in het MgO gehalte in agglomeraat van 1,75% tot 1,5% geeft aanleiding tot veranderingen in oven gedrag wat toegeschreven wordt aan variaties in de verzachtings- en smelttemperaturen.

Een ander onderzoek is uitgevoerd om de invloed van de materiaalsamenstelling op verzachtings- en smelteigenschappen in de BF ladingmaterialen te vinden. Het experimentele deel is uitgevoerd in een unit die de BF omgeving simuleert, werkend onder belasting tot een temperatuur van 1580 °C. Agglomeraat toonde een hoge verzachtingstemperatuur (rond 1400 °C) maar een relatief lage afsmeltingsratio en slechte hoge temperatuur doorlatendheid. Een toename in agglomeraat basiciteit is gezien als nadelig voor de vloeibaarheid van gesmolten slag en ijzer in de BF, wat resulteert in meer gesmolten slag en ijzer dat geblokkeerd wordt in de cokeslaag, dus de afsmeltingspercentage vermindert en de gasweerstand van het monsterbed verhoogt. Daarom is het belangrijk om de agglomeraat basiciteit te verlagen. Aan de andere kant verlaagde een toename in Al₂O₃ (bereik van 0,9% tot 2,6%) of MgO het slagsmeltpunt, wat een reductie in hoge temperatuur gasweerstand begunstigde. Agglomeraat presenteert betere verzachtings- en smelteigenschappen dan pellets of erts, maar slechtere afsmelting en hoge temperatuur gasweerstand. Het is gezien dat een gemengde lading bestaande uit 65% agglomeraat, 20% lump erts, en 15% pellets iets beter is dan andere samenstellingen in termen van ST en VT, afsmelting en hoge temperatuur gasweerstand.

In een ander onderzoek is gevonden dat de verzachtingstemperatuur daalt naarmate de gangue-inhoud in de erts toeneemt, vanwege het feit dat gangue verbindingen vormt met lage smeltpunt zoals 2FeO·SiO₂, FeO·SiO₂·CaO, en Fe₂O₃·SiO₂·CaO (Figuur 5). De alkalien in gangue kunnen ook verbindingen vormen met een laag smeltpunt zoals Na₂SiO₃, K₂SiO₃, en NaAlSi₂O₆. De verzachtingstemperatuur van de agglomeraten geproduceerd bij temperaturen tussen 1300 °C en 1350 °C hangt af van de samenstelling en mineralogie van het agglomeraat.

De doorlatendheidsweerstand K van het agglomeratiebed wordt doorgaans geëvalueerd door de agglomeraat verzachtingseigenschap test. Wanneer K wordt uitgezet tegen de bedtemperatuur, en de verkregen curve in het interval 1000 °C tot 1600 °C geïntegreerd wordt, de KS bedweerstandsparameter berekend, is gevonden dat een reductie in de SiO₂ inhoud en een toename in MgO in agglomeraat zowel de doorlatendheid (lagere KS) als de agglomeraat verzachtingseigenschap verbetert. De werking van SiO₂ is door een afname in de smelt die de leegtes in het bed vult. De werking van MgO is door een toename in het smeltpunt van CaO-FeO-SiO₂ slag. De Al₂O₃ inhoud heeft weinig effect op de agglomeraat verzachtingseigenschap.

In een ander onderzoek is gevonden dat naarmate het agglomeraat verbetert wanneer de Al₂O₃ inhoud wordt verlaagd van 1,8% tot 1,5%, het agglomeraat betere reductie en verzachting-smelting in de BF heeft. Ook de doorlatendheidsweerstandsindex in de cohesieve zone is verbeterd. Dit kan zijn door de hoeveelheid smelt met laag smeltpunt weinig is vanwege de verbeterde reductie-efficiëntie en lagere Al₂O₃ inhoud.

De verzachtings- en smelteigenschappen van drie lump hematiet ertsen en een agglomeraat zijn bepaald in een uitrusting die onder belasting werkt. Het is gevonden dat de bedden van lump ertsen veel eerder krimpen dan agglomeraat door de vorming van fayaliet, met een laag smeltende temperatuur component van ongeveer 1175 °C tot 1205 °C. Geen fayaliet vormt in agglomeraat en bij hogere temperatuur smelten die gegenereerd worden lijken meer viskeus, wat resulteert in minder beddeformatie. Er is geen waarnemingswaardig verschil voor de verzachtings- en smelttemperaturen voor agglomeraat en voor 80% agglomeraat en 20% lump erts mengsel. Met deze mengsel als ferroe lading in de BF, bleef de doorlatendheid in het normale bedrijfsbereik, hetzelfde als wanneer de BF werkt met 100% agglomeraat, zonder indicatie van niet-uniforme gasstroomcondities of abnormale cohesieve zone problemen en gasgebruiksefficiëntie verbeterde zelfs lichtjes.

Een belangrijke eigenschap van smelten is dat ze samenvloeien, wat het uniform gepakte bed van granulen transformeert in agglomeraatdeeltjes en zeer grote kanalen in het bed. Het samenvloeigedrag van smelten moet een gunstige invloed hebben op de vlamfronteigenschappen bij het bepalen van de doorlatendheid van het agglomeratiebed.

Reacties in het agglomeratieproces

Tijdens het agglomeratieproces vinden verschillende chemische reacties tussen ijzererts en fluxen plaats bij een specifieke maximum temperatuur, wat resulteert in de omzetting van losse materialen in een vaste massa. Deze reacties worden gedefinieerd als agglomeratiereacties en omvatten de vorming van de smeltfase gevolgd door de assimilatie van grote deeltjes in de smelt.

Studies zijn uitgevoerd met betrekking tot de reeks van vorming van fasen tijdens ijzerertsagglomeratie (Figuur 6). Deze studies vonden dat de agglomeratiereacties plaatsvonden in de VF en bestonden uit reacties tussen een fractie van ijzererts en de hoofdflex. Dit leidde tot de vorming van een vloeibare fase die de bindingsfase vormde. Het is ook gevonden dat de agglomeratiereacties beginnen binnen de laag van hechtende fijnen waar fijn reactieve ertsen en fluxen in intiem contact zijn. Daarom zijn vaste-vaste reacties de eerste reacties die plaatsvinden, wat de primaire smelt genereert. Echter, grote deeltjes zijn bijna inactief tijdens dit eerste stadium vanwege hun grote reactieoppervlakte.

De agglomeratiereacties bestaan uit smeltvorming en assimilatiereacties (Figuur 7). Een relevant startpunt was een pseudo-deeltje bestaande uit een groot kernedeeltje (kern) en een coatinglaag van hechtende fijnen en fluxen. Figuur 7 (i) vertegenwoordigt de basisstructuur van pseudo-deeltjes gevormd tijdens de granulatie. De agglomeratiereacties beginnen binnen de laag van hechtende fijnen, waar fijn materialen in intiem contact zijn. Met de toename in temperatuur (bij ongeveer 1100 °C) zijn calciumferrieten het eerste product dat vormt door vaste-vaste reacties tussen hematiet en kalk. Bij ongeveer 1200 °C ontbinden calciumferrieten en vormen de initiële vloeibare smelt, die SiO₂ en Al₂O₃ kan oplossen. Dit stadium van het agglomeratieproces is schematisch weergegeven in Figuur 7 (ii). Naarmate het agglomeratieproces vordert, begint de vloeibare smelt te reageren met de kernedeeltjes, wat resulteert in een ontbinding van het kernedeeltje en vorming van meer smelt zoals getoond in Figuur 7 (iii). De assimilatiereactie hangt af van de eigenschappen van zowel de initiële smelt als het kernedeeltje. Hoe reactiever de smelt is, des te groter is zijn vermogen om het vaste kernedeeltje op te lossen. Op dezelfde manier, hoe groter de reactiviteit van het vaste kernedeeltje is, des te meer is de hoeveelheid die geassimileerd wordt.

In principe omvatten agglomeratiereacties reacties van fijn ertsen met fluxen resulterend in de vorming van een smeltfase die gebruikt wordt tijdens vast-vloeistofreacties voor de assimilatie van grof erts. De smelt die tijdens agglomeratie ontstaat fungeert als de bindingsfase.

Tijdens het agglomeratieproces vindt de vorming van de smelt plaats in de VF waar de temperatuur hoger is dan 1100 °C. Vervolgens verstolt de smelt om de bindingsfasen te worden die de meerderheid van de andere fasen binnen een agglomeraat vormen. De bindingsfase bestaat doorgaans uit de SFCA-fase in associatie met ijzeroxiden en silicaten. SFCA wordt beschouwd als de belangrijkste bindingsfase vanwege zijn grote invloed op de eigenschappen van het agglomeraat.

In het agglomeratieproces wordt de temperatuur van het agglomeratiemengsel verhoogd om deels smelting te bereiken en een vloeibaar materiaal te produceren dat, tijdens afkoeling, kristalliseert of verstolt in diverse mineralische fasen die de structuur als geheel agglomereren. De energie voor dit proces wordt geleverd door verbranding van de cokesbries.

Een studie om de reeks van reacties in SFCA vorming te bepalen is uitgevoerd met een combinatie van XRD (Röntgendiffractie), DTA (differentiele thermische analyse), en EPMA (elektronenstraalmicroanalyse). De eerste ferrietvormingsreacties zijn vaste-vaste reacties die beginnen in het temperatuurbereik van 750 °C tot 780 °C en eindigen bij 1200 °C, de smelttemperatuur van deze ferrieten, volgens de volgorde dicalciumferriet (C2F) naar calciumferriet (CF) naar calciumdiferriet (CF2) (Figuur 6) volgens de volgende vergelijkingen:

Fe₂O₃ + 2CaO = 2CaO·Fe₂O₃ bij 750 °C tot 780 °C

2CaO·Fe₂O₃ + Fe₂O₃ = 2[CaO·Fe₂O₃] bij 920 °C tot 1000 °C

CaO·Fe₂O₃ + Fe₂O₃ = CaO·2Fe₂O₃ bij 1050 °C tot 1150 °C

CaO speelt een uitermate belangrijke rol tijdens agglomeratie aangezien het gemakkelijk combineert met Fe-oxiden in het mengsel om calciumferrieten te produceren. De smeltvormingsreactie begint op het contactpunt tussen de ertsfijnen en CaO. Op hetzelfde moment begint de vaste-vaste SFCA vormingsreactie rond 1050 °C en gaat door in een vaste-vloeistofreactie boven 1200 °C. De aanwezigheid van Al₂O₃ verhoogt de stabiliteit van SFCA, en verlaagt de temperatuur waarop deze ferrieten beginnen te vormen. Boven 1200 °C heersen vaste-vloeistof (vaste-smelt) reacties, met de aanwezigheid van een vloeibare fase die de assimilatie van materiaal versterkt om ferriet te vormen volgens de volgende vergelijking:

CaO·Fe₂O₃ + Al₂O₃ + SiO₂ = CaO·SiO₂·(Fe, Al)₂O₃

De reeks van SFCA vormingsreacties wordt weergegeven in het schematische diagram (Figuur 5). Al₂O₃ is hoogst reactief en treedt de vaste oplossing in met de C2F, CF en CF2 fasen, zoals aangegeven in de geschraagde regio van Figuur 5. In deze studie is ook gezien dat SiO₂ niet reageert met Fe₂O₃ of CaO en inert blijft tot SFCA begint te vormen bij temperaturen hoger dan 1050 °C.

Onderzoek is ook gedaan op de vorming van 2CaO·Fe₂O₃ bij 1000 °C uit een stoechiometrische mengsel van Fe₂O₃ (ijzererts) en CaCO₃ (kalksteen). Fe₂O₃ wordt gereduceerd tot Fe₃O₄ en FeO vóór de calcinatie van kalksteen begint, als functie van de partiële druk van O₂, die bepaald wordt volgens de CO inhoud in de CO+CO₂ reducerende mengsel. De volgorde die is gevonden voor de reactiesnelheid van Fe oxide met CaO, voor de vorming van dicalciumferriet is FeO → Fe₃O₄ → Fe₂O₃.

Tijdens het hele proces kan het Fe oxide gelijktijdig gereduceerd worden door CO geproduceerd in de gedeeltelijke verbranding van cokes-kool volgens de volgende vergelijking:

2 Fe₂O₃ + CO = Fe₃O₄ + FeO + CO₂

Fe₃O₄ kan oxideren tot Fe₂O₃. FeO kan oxideren tot Fe₃O₄ of Fe₂O₃, en kan initieren met buitenenergie, laag smeltpunt volgende slagvormingsreacties.

FeO + CaO = CaO·FeO bij 1120 °C

FeO + SiO₂ = SiO₂·FeO bij 1180 °C

FeO + CaO + SiO₂ = CaO·SiO₂·FeO bij 1220 °C

Silica uit het ijzererts kan reageren met de gesmolten ferriet volgens de volgende vergelijking om calciumsilicaten te vormen en hematiet of magnetiet te neerslaan, afhankelijk van de pO₂ in het reactsysteem, samen met de gevormde silicaat.

CaO·Fe₂O₃ + SiO₂ = CaO·SiO₂ + Fe₂O₃

De bovenstaande reeks van reacties is wijd bestudeerd vanwege zijn belang in agglomeratie. In een van de studies zijn calciumferriet (CF) monsters en CF + Al₂O₃ en CF + SiO₂ monsters geagglomereerd. Het is aangetoond dat de toevoeging van Al₂O₃ effectiever is om de hematiet in CF op te lossen, en de toevoeging van SiO₂ effectiever is om de CF vormingsnelheid te verhogen. CF2 en CF2 + Al₂O₃ (3% tot 9%) + SiO₂ (1% tot 7%) monsters zijn geagglomereerd om SFCA te prepareren, de evolutie van deze processen monitorend met XRD. Al₂O₃ oplosbaarheid in CF2 bij 1250 °C is 5%–7% en SiO₂ oplosbaarheid is 2% tot 4%. Monocliene structuur CF2 verandert in tricliene wanneer het reageert met Al₂O₃ en SiO₂ om SFCA te vormen. De toevoeging van SiO₂ bij 1200 °C veroorzaakt gedeeltelijke ontbinding van CF2 in calciumsilicaten. Naarmate de Al₂O₃/SiO₂ verhouding toeneemt, neemt de vorming van hematiet af en neemt SFCA vorming toe. De Fe³⁺ ion (straal 0,65 angstrom) in tetrahedrische centra wordt vervangen door kleinere ionen (Si⁴⁺, 0,40 angstrom en Al³⁺, 0,54 angstrom), op een dergelijke manier dat het eenheidscelvolume neigt te dalen naarmate meer Si⁴⁺ en Al³⁺ aan de CF2 worden toegevoegd.