Optimierung des Hochofenbetriebs mit Eisenerzpellets

Pelletieren ist ein Prozess, bei dem sehr fein gemahlene Partikel von Eisenerzfeinstoffen der Größe unter 200 Mesh mit Zusatzstoffen wie Bentonit vermischt und dann durch einen Pelletierer zu ovalen/kugelförmigen Klumpen von 8–20 mm Durchmesser geformt und durch Brennen mit einem Brennstoff gehärtet werden. Es ist der Prozess der Umwandlung von Eisenerzfeinstoffen in „gleichmäßig dimensionierte Eisenerzpellets“, die direkt in einen Hochofen eingebracht werden können. Abb. 1 zeigt Eisenerzpellets.

Abb. 1 Eisenerzpellets

Es gibt mehrere Eisenerzpelletierprozesse/Technologien. Derzeit sind jedoch der Geradereiseroffprozess (STG) und der Rost-Drehrohrofen-Prozess (GK) die populäreren Verfahren.

Die physikalischen Eigenschaften von Eisenerzpellets sind:

• Größe – 8–20 mm
• pH (40 g/l, 20 °C; Schlämme in Wasser) – 5,0–8,0
• Schmelzpunkt – 1500–1600 °C
• Schüttdichte – 2,0–2,2 t/m³
• Tumbler-Index (+6,3 mm) – 93–94 %
• Abrasionsindex (-0,5 mm) – 5–6 %
• Druckfestigkeit (daN/p) – ca. 250
• Porosität – > 18 %

Die chemische Analyse von Eisenerzpellets:

	BF-Güte	DRI-Güte
Fe %	63–65,5	65–67,8
SiO2 + Al2O3 %	< 5	< 5
CaO + MgO %	Bis 3	Bis 0,10
P, max %	0,05	0,05
S, max %	0,01	0,01
Basizität, min %	0,5
Desintegration (-3,15 mm) %	2
Quellindex %	13–18
Reduzierbarkeit %	65

Verschiedene ISO-Normtests für Pellets sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1 ISO-Normtests für BF-Pellets
ISO-Normtest	Messwerte	Zweck
ISO 4700 / Druckfestigkeit	daN	Pellet-Kaltfestigkeit
ISO 3271 / Tumblefestigkeit	Fraktionen +6,3 mm und -0,5 mm	Neigung zur Abrasion
ISO 13930 / Tieftemperaturreduktionsdesintegration	Fraktionen +6,3, -3,15 und -0,5 mm	Neigung zur Tieftemperaturdegradation
ISO 4698 / Freies Quellverhalten	Volumen %	Zunahme der Quellneigung
ISO 4695 / Reduzierbarkeit	Reduktionsrate bei 40 % reduziert	Reduzierbarkeit
ISO 7992 / Reduktion unter Last	1. Reduktionsrate bei 40 % reduziert	Reduzierbarkeit, Erweichungs-/Schmelzverhalten
	2. Druckabfall bei 80 % reduziert
	3. Bettschwund bei 80 % reduziert

Die Pelletqualität wird durch die Art des Erzes oder Konzentrats, die begleitenden Gangarten, Art und Menge der zugesetzten Flussmittel beeinflusst. Diese Faktoren führen wiederum zu Variationen der physikochemischen Eigenschaften der koexistierenden Phasen und ihrer Verteilung während der Pelletinduration. Daher werden die Pelleteigenschaften weitgehend durch die Form und den Grad der Bindung bestimmt, die zwischen den Erzpartikeln erreicht wird, und der Stabilität dieser Bindungsphasen während der Reduktion der Eisenoxide im Hochofen. Da die Phasenbildung und Mikrostruktur während der Induration von Art und Menge der zugesetzten Flussmittel abhängt, gibt es einen Effekt der Flussmittel in Form von CaO/SiO2-Verhältnis und MgO-Gehalt auf die Pelletqualität.

Geschichte der Verwendung von Eisenerzpellets im Hochofen

Die Geschichte der Pellets begann 1912, als A.G. Andersson, ein Schwede, eine Pelletiermethode erfand.

Die kommerzielle Nutzung von Pellets begann jedoch in den USA nach dem Zweiten Weltkrieg. Verschiedene Studien wurden mit dem Ziel durchgeführt, die riesigen Taconit-Vorräte im Gebiet um die Großen Seen zu erschließen. 1943 erfand Dr. Davis, Professor an der Universität von Minnesota, Mines Experiment Station, ein Verfahren zur Verarbeitung von Taconit mit niedrigem Eisengehalt. Sein Prozess beinhaltete das Mahlen von Taconit zur Gangartentfernung und Aufwertung des Eisenerzes (d.h. ein Erzaufbereitungsprozess). Das resultierende hochwertige Erz liegt in Form feiner Partikel vor, so klein wie 0,1 mm oder weniger, die für das Sintern nicht geeignet sind. Dieses Problem führte zur Entwicklung des Pelletierens dieser Feinpartikel. Pelletierwerke spielen heute eine wichtige Rolle in einer Ära, in der die weltweiten Reserven an hochwertigem Brockerz schrumpfen. Die Werke fördern die Konzentration von niedrigwertigem Erz zu aufgewerteten Pellets, die zunehmend von Hochöfen und Direkteisenreduktionsöfen verwendet werden.

Die US-Roheisenherstellung basierte historisch gesehen in großem Umfang auf Pellets, hauptsächlich weil alle lokalen Eisenerze eine Aufbereitung (Aufwertung) durch Mahlen auf Feinpartikel (< 0,1 mm) und Agglomeration dieser Feinstoffe zu Pellets benötigten, aber auch weil Sinteranlagen aus Umweltgründen nicht genutzt werden.

Eisenerzpellets sind heute die größte einzelne Eisenquelle für nordamerikanische Hochöfen. Pellets machen ca. 70 % der Hochofenbeschickung aus. Zunächst wurden saure Pellets (DRI-Güten) produziert und in Hochöfen verwendet.

Mitte der 1980er Jahre wurden zahlreiche Pelletier- und Hochofenversuche durchgeführt, um die Vorteile von Kalkstein-Dolomit-geflussenen Pellets zu bewerten. Ende des Jahrzehnts hatten sich geflussene Pellets als Hauptprodukt etabliert, das ca. 30 % der nordamerikanischen Pelletproduktion ausmachte.

Der Übergang zu geflussten Pellets erforderte viele Änderungen in der Werksausrüstung (z. B. Flussmittelmahlwerke, Vorwärmbrenner) und Praktiken. Jedes Pelletwerk hat die Chemie der geflussten Pellets an die Hochofenoperation seines Kunden angepasst. Als Ergebnis gibt es Pelletwerke, die bis zu vier Pelletgüten produzieren. In Nordamerika haben sich Pellets von einem Rohstoff in den frühen 1970er Jahren zu einem maßgeschneiderten Produkt entwickelt, das in den 1990er Jahren die spezifischsten, anspruchsvollsten Kundenspezifikationen erfüllt. Nordamerikanische geflussene Pellets sind heute in Bezug auf Reduzierbarkeit und Erweichungs-/Schmelzeigenschaften dem besten Sinter gleichwertig und in Bezug auf Festigkeit und Tieftemperaturzerfall (LTD/RDI) überlegen.

Vorteile von Pellets

Eisenerzpellets können als Ersatz für Sinter und kalibriertes Brockerz in der Hochofenbeschickung aufgrund folgender Eigenschaften dienen:

• Kugelförmige Form und offene Poren der Pellets geben bessere und gleichmäßigere Permeabilität, was zu ruhigerem Ofenbetrieb führt. Pellets haben einen gleichmäßigen Größenbereich generell innerhalb von 8–20 mm.
• Pellets haben sehr hohe kalte Druckfestigkeit, was zu vernachlässigbarer Feinstoffgenerierung im Vorratsbunker führt.
• Hohe Porosität (größer 18 %) führt zu schnellerer Reduktion.
• Hohe Pelletfestigkeit (ca. 250 daN/p) bietet gute Beständigkeit gegen Desintegration während des Beschickungsabstiegs. Sie hat einen besseren Tumbling-Index im Vergleich zum kalibrierten Eisenerz.
• Gleichmäßige chemische Zusammensetzung im Vergleich zu kalibriertem Brockerz. Fehlen von LOI (Loss on Ignition) ist ein weiterer Vorteil der Pellets.

Der Quellindex der Pellets ist eine wichtige metallurgische Eigenschaft. Quellverhalten zeigt Volumenänderung der Pellets während der Reduktion. Die Volumenausdehnung der Pellets während der Reduktion führt zu geringerer Druckfestigkeit der Pellets. Hohes Quellen im Ofen verursacht Volumenzunahme des Pellets, was wiederum die Hohlräume in der Beschickung verringert. Dies behindert den Gasfluss im Ofen und führt zu Druckabfall. Dies wiederum verursacht Beschickungshängen und -abrutschen im Hochofen. Die Zugabe von Dolomit ist günstig für die Verbesserung der Quelleigenschaft der Pellets. Die maximal zulässige Quellung der Pellets für den Hochofen liegt zwischen 16 % und 18 %. Saure Pellets (DRI-Pellets) und MgO-freie Pellets zeigen höheres Quellen.

Geflussene Pellets können als gleichwertig zum besten Sinter in Bezug auf Reduzierbarkeit und Erweichungs-/Schmelzeigenschaften produziert werden und sind in Bezug auf Festigkeit und Tieftemperaturzerfall (LTD/RDI) überlegen. Geflussene Pellets zeigen gute Festigkeit, verbesserte Reduzierbarkeit, Quellen- und Erweichungsschmelzeigenschaften. Aufgrund dieser Eigenschaften geben geflussene Pellets bessere Leistung im Hochofen.

Metallische Bestandteile in der BF-Beschickung

Sinter, Pellets und kalibrierte Brockerze sind die drei eisenhaltigen Metallika, die normalerweise in der Hochofenbeschickung verwendet werden. Die Verwendung aller drei Metallika in der Hochofenbeschickung kann von null bis hundert Prozent variieren bei Anpassung der Ofenparameter. Diese drei Metallika können in beliebiger Kombination von zwei oder drei Metallika verwendet werden. Es gibt keine Standardformel für die Wahl der Metallika. Die Wahl hängt von mehreren Faktoren ab, die von Werk zu Werk variieren. Einige die Wahl beeinflussende Faktoren sind:

• Verfügbarkeit des Metallikamaterials korrekter Spezifikation
• Metallurgische Eigenschaften der Metallikamaterialien wie Reduzierbarkeit, thermische Dekrepitations- und Erweichungseigenschaften
• Relative Kosten des Metallikamaterials
• Auswirkung der Verwendung des Metallikums auf die Gesamtproduktionskosten von Roheisen
• Möglichkeit der Anpassung verschiedener Ofenparameter wie Verteilungsmuster, Brennstoffsatz etc.
• Möglichkeit der Anpassung von Prozesssteuerparametern
• Verfügbare Einrichtungen im Ofenvorratsbunker
• Verfügbarkeit eines eigenen Sinterwerks
• Art des in der eigenen Grube oder im nahen Bereich des Hochofens verfügbaren Eisenerzes
• Fragen im Zusammenhang mit dem ruhigen Betrieb des BF ohne Hängen und Abrutschen
• Umweltbezogene Fragen

Pellets im Hochofen können von 0 % bis 100 % eingesetzt werden. Es gibt keine Standardlösung für die Erhöhung des Pelletanteils in der Hochofenbeschickung. Jeder Standort und jeder Ofen wird unterschiedliche Probleme haben, die identifiziert, analysiert und gelöst werden müssen, um den maximal möglichen Pelletanteil in der BF-Beschickung zu ermitteln. Das Ziel sollte immer ein störungsfreier Hochofenbetrieb bei den niedrigstmöglichen Roheisenproduktionskosten sein.