Reduction of industrial hematite pellets using hydrogen and some of its impacts on steelmaking

Abstract

Övergången till fossilfri ståltillverkning är ett sätt att kraftigt minska koldioxidutsläppen som vi människor orsakar, och på så sätt uppnå klimatmålen. Avhandlingen undersöker vätgasbaserad reduktion och hematitpellets och vissa av dess effekter på ståltillverkningen. En förbättrad förståelse för hur reduktionsprocessen ochsmältprocessen hänger ihop, öppnar möjligheter for processoptimering av den nya H-DRI-EAF processen.

Eftersom tidigare studier har visat att reduktionsreaktionen påverkas starkt av vilken typav hematitprov som används, har detta arbete använt kommersiella industriella hematitpellets för att få relevanta resultat som direkt relaterar till dagens pilotanläggningar. Reduktionsbeteendet studerades under både isotermiska och icke-isotermiska förhållanden. Under de isotermiska reduktionsstudierna låg fokus på effekten av utspädning av kväve, eftersom kvävgas ibland används i de inerta materialslussarna som matar in och tar ut material från reaktorn. Resultaten visade att kvävehalten, i det undersökta intervallet (0-30 vol%), minskade reduktionshastigheten vid alla temperaturer, men att hastigheten minskade mer än förväntat vid temperaturerna 600°C och 900°C. Hastighetminskingen berodde främst på minskad drivande kraft av gasdiffusion och kemisk reaktion. Reduktionstemperaturen hade en stor inverkan på mikrostrukturen, men N₂-utspädningen visade ingen märkbar påverkan på den.

För att få en djupare förståelse för reduktionen som sker i en schaktugn studerades reduktionsbeteendet under icke-isotermiska förhållanden. Särskilt fokus riktades mot effekten av uppvärmningshastigheten och vattenångans halt i reduktionsgasen. Det avgörande att studera reduktionen under icke-isotermiska förhållanden för att optimera processen i schaktugnen. Uppvärmningshastigheten och vattenhalten i reduktionsgasen hade betydande inverkan på reduktionshastigheten, dvs. hastigheten ökade med en ökande uppvärmningshastighet och lägre H₂O-halt. Reduktionen startade vid ca 450°C med ren vätgas, men när reduktionsgasen innehöll 5-20 vol%H₂O började reduktionen dock först vid ca 525°C. Mikrostrukturen på pelletens ytan hade liknande utseende, oavsett vilken uppvärmningshastigheten som användes. Dessutom visade mikrostrukturens huvudsakliga egenskaper inga tecken på sintring vid ytterligare uppvärmning efter fullständig reduktion. Däremot varierade mikrostrukturen i centrum beroende på uppvärmningshastigheten. Järnfasens utseende ändrade utseende från porös till kompakt struktur när temperaturen översteg 668°C. Bildandet av den kompakta järnstrukturen minskade kraftigt massöverföringen av H₂ och H₂O till och från reaktionsytan genom produktlagret, vilket påverkade den totala reduktionshastigheten. När reduktionsgasen innehöll mer än 5 vol%H₂O blev reduktionen mer komplex, eftersom en mekanismförändring inträffade mellan reduktionsgraderna 0.11-0.15. Denna förändring ledde till ett låg-hastighetsstadium och var kopplad till närvaron av FeO-fasen. Följaktligen är det viktigt att ta hänsyn till denna mekaniskförändring vid modellering och optimering av schaktugnsprocessen. Sammanfattningsvis, den totala reduktionshastigheten ökade med snabbare uppvärmnings hastighet på grund av en ökad kemisk reaktionshastighet, förbättrad massöverföring genom produktlagret, samt en bredare reaktionszon.

Smältbeteenden hos H-DRI undersöktes för att få insikt i de preliminära föroreningshalterna i råstålet vid smältning av H-DRI. Detta gjordes för att bättre förstå behovet av optimering av raffineringsprocessen när den nya H-DRI-EAF processen tas i bruk. Arbetet innehöll både pilot- och laboratorieprover för att systematiskt studera upptag och rening av väte och kväve samt bildandet av inneslutningar vid smältning av H-DRI. Resultaten visade att en stor mängd av det ingående vätet och kvävet i H-DRI var adsorberat på ytan. Under smältningen minskade ytarean avsevärt, och väte- och kvävehalterna minskade nästan omedelbart. De slutliga halterna låg dock runt 4-36 ppm H och 20-30 ppm N, främst på grund av ämnenas ökade löslighet och mobilitet i råstålet vid de ökade temperaturerna. Inneslutningarna som hittades i råstålet efter smältning av 100% H-DRI analyserades. Först studerades den huvudsakliga mekanismen för bildandet av inneslutningarna med hjälp av laboratoriestudier. När H-DRI utsattes för uppvärmning tvingades de kvarvarande oxiderna i den porösa strukturen samman när den porösa strukturen sintrades. Inneslutningarna hade olika storlekar och sammansättning beroende på vilken typ av oxider som smälte samman. Sammansmältningen av de oxidiska partiklarna verkade vara en av de viktigaste mekanismerna för bildandet av inneslutningarna. Inneslutningarna varierade kraftigt i storlek och sammansättning, men majoriteten låg i storleksintervallet >5.6 till 22.4 µm. Dock hittades en betydande mängd inneslutningar som var större än 22.4 µm. Totalt bildades tre olika inneslutningar, och de betecknas som Typ I-1, Typ I-2 och Typ I-3. Inneslutningar av Typ I-1 bildades då den autogena slaggen (O-2) sammansmälte med Mg-rika oxider (O-1) med högt MgO-innehåll. Inneslutning av Typ I-2 bildades när stora mängder autogen slagg sammansmälte med endast ett fåtal Mg-rika oxider. Typ I-3 inneslutningar utgjordes av enstaka Mg-rika oxider som inte hade sammanförts med några andra oxider.  

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-371658