Metallurgisk studie av pellets avsedd för LRI tillverkning

2005:240 CIV EXAMENSARBETE Metallurgisk studie av pellets avsedd för LRI tillverkning JONAS LÖVGREN CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Kemiteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för Tillämpad kemi & geovetenskap Avdelningen för Processmetallurgi 2005:240 CIV ISSN: 1402-1617 ISRN: LTU - EX - - 05/240 - - SE

Förord Denna rapport är en skriftlig dokumentation av mitt examensarbete. Arbetet har genomförts vid LKAB:s forskningsavdelning i Luleå samt på CK-laboratoriet i Malmberget under första halvåret 2005. Syftet med examensarbetet är dels att få träning i att utföra verklighetsförankrade projekt ute på ett företag och dels att självständigt använda sig av de kunskaper man erhållit under studietiden vid utformningen av examensarbetet. Examensarbetet omfattar 20 poäng och är mitt slutliga arbete till färdig examen inom civilingenjör i Kemiteknik med avslutningen metallurgi & mineralteknik. Jag vill börja med att tacka min handledare Tommie Edeblom för alla tips under examensarbetets gång. Jag vill även tacka Kenneth Keränen samt Hans Nordström på CKlaboratoriet i Malmberget samt Nicklas Eklund, Ulf Fredriksson, Harry Palo och Mikael Pettersson på FoU i Luleå för alla goda råd. Luleå 2005-06-10 Jonas Lövgren II

Sammanfattning LKAB deltar i ett forskningsprojekt som går under namnet ULCOS (Ultra Low CO 2 Steelmaking), där det övergripande målet är att minska koldioxidutsläppen med 50 % vid stålframställningen. Inom ULCOS innebär ett av delprojekten att chargera delvis reducerad pellets (LRI, Less Reduced Iron) i masugnen. LRI är en produkt som är delvis reducerad till en metalliseringsgrad på ca 65 %. I denna studie används nio olika typer av pellets för LRI framställning. Dessa är KPBO, KPRS, MPBO, KPBA, HYL samt fyra nya pelletprodukter som framställs från filtrerad KPC slig i pot furnace anläggningen vid CK-laboratoriet i Malmberget. Alla material testas enligt ett speciellt testprogram, där ett antal tester görs på vanlig oreducerad pellets och ett antal tester görs på färdig LRI. Sammantaget använde jag mig av nio testmetoder, metoderna som används undersöker bl.a. hållfasthetsegenskaper, reduktionsegenskaper samt egenskaper gällande smältningsförfarandet. Alla resultat tillsammans med kemiska analyser och mikroskopi utvärderas. Resultat gällande hållfasthet under reduktion vid olika förhållanden och LRI: s egenskaper gällande tryckhållfasthet samt fall och abrasionsrörelser anses vara mest utslagsgivande. Dessa antagandet medför att några pelletmaterial anses som mer lämpliga än andra enligt mina resultat. De som enligt min bedömning anses vara mest lämpliga för tillverkning redovisas i listan nedan, mest lämplig överst för att minska neråt i listan: KPRS är enligt de försök som utförts den bästa pelleten. Den har överlag den bästa hållfastheten, både på bränd pellets och LRI. Samtidigt är den lättreducerad vilket är positivt ur ekonomisk synpunkt. KPBO bedöms vara något sämre, tryckhållfastheten på LRI ligger farligt nära den antagna minimigränsen, samt även ITH resultaten ligger en aning lägre än för KPRS samtidigt som den inte är lika lättreducerad. Potta 4 är även den en pellets med bra resultat, det som framförallt skiljer denna från de två ovan är att dess smälttemperatur ligger lite lågt. Detta kan medföra en för tidigt smältning i masugnen vilket medför en dålig permeabilitet. Även KPBA uppvisar bra resultat men med en lägre smältpunkt samt ett material som inte är lika lättreducerat. MPBO och HYL pelleten är två varianter som uppvisar ojämna resultat, MPBO:n uppvisar väldigt dåliga resultat gällande dess hållfasthet under reduktion. Detta anses som väldigt dåligt vilket medför att denna är en bland de mindre lämpliga pelletarna. HYL pelleten uppvisar resultat som har något större sönderfall vid exv. TTH och ITH på LRI:n i jämförelse med övriga pellets samt även något sämre hållfasthet under reduktion, dock inte lika lågt som MPBO:n. Då återstår tre pelletsorter, dessa är Potta 1-3 som alla uppvisar en dålig mekanisk tryckhållfasthet på LRI: n. Vilket medför att dessa faller under den antagna gränsen på 60 dan. Det skall även nämnas att utvärderingen av resultaten anses komplicerade tack vare att det är en så pass ny produkt. Detta medför att det är osäkert exakt vilka testresultat som anses vara mest relevanta för just LRI tillverkning. III

Summary LKAB are working with a research project called ULCOS (Ultra Low CO 2 Steelmaking), where the biggest priority are to lower the CO 2 emissions in the steel industry by 50%. One project in ULCOS is to use partially reduced iron (LRI) as a burden in the blast furnace. LRI is a partially reduced product that has a degree of metallization of 65%. This study has nine different kinds of pellets that are going to be evaluated for the use of LRI. These are KPBO, KPRS, MPBO, KPBA, HYL and four new pellet products that has been produced in laboratory scale in the pot furnace at LKAB, Malmberget. All materials will be tested in a special test program; there will be a few tests for the LRI and a few tests for the ordinary pellet. Altogether I am going to use nine different test methods. All results, chemical analysis and microscopic analysis will be evaluated. My assumptions over the results are that the most important result is the strength under reduction and the strength quality of the LRI. These assumptions indicate that a few pellets will be more suitable than others. According to my judgement the most suitable pellets are (the most suitable is in the top of the list): KPRS is according to the results the most suitable pellets. The highest average of all pellets, especially the strength. It also has the fastest reduction rate. KPBO also has good results, the result that differ between KPRS are the ITH and the pressure strength on the LRI. The reduction rate was also lower. Test no Potta 4 shows good result but the biggest thing that differs is the melting temperature, it is lower than the pellets above. The average results of KPBA are good but with a lower melting point and with a lower reduction rate. MPBO and HYL pellets are two variants that show varying results. MPBO shows bad results on the strength under reduction. This brings it as one of the less suitable pellets. The HYL pellets show high disintegration at the ATH and the ITH tests, and also a little bit lower result than the average on the strength under reduction. Then we have test no Potta1-3 ; these three pellet products show the lowest strength on the LRI. It must be kept in mind that the evaluation of the results is quite difficult, because LRI is a new product. Under these circumstances it is hard to know which method that means the most. IV

Innehållsförteckning 1 INLEDNING... 1 1.1 BAKGRUND... 1 1.2 SYFTE... 1 2 PRESENTATION AV LKAB... 1 3 TEORETISK BAKGRUND... 2 3.1 JÄRNMALM... 2 3.1.1 Järn... 2 3.2 MALMBEREDNING... 2 3.3 PELLETSTILLVERKNING... 3 3.3.1 Allmänt... 3 3.3.2 Varför sintrar LKAB?... 3 3.3.3 Pelletisering... 4 3.3.4 Framställning av råkulor... 4 3.3.5 Sintring... 5 3.4 PELLETISERINGSPROCESSER... 6 3.5 OXIDATION AV MAGNETIT... 7 3.6 BINDNINGSTYPER I PELLETS... 8 3.6.1 Järnoxidbindningar... 8 3.6.2 Bindningar via slaggfas... 8 3.7 LKAB:S PELLETTPRODUKTER... 9 3.7.1 Masugnspellets... 9 3.7.2 Pellets för direktreduktion... 9 3.7.3 Jämförelse mellan DRI och LRI... 10 3.8 REOXIDATION AV METALLISERAD PELLET... 10 3.9 REDUKTION AV JÄRNOXIDER... 11 3.9.1 Fe - O - C systemet... 12 3.9.2 Fe O H systemet... 12 3.10 MASUGNSPROCESSEN...13 3.10.1 Masugnen... 13 3.10.2 Masugnens reaktionszoner... 14 3.11 TILLSATS AV METALLISERAT JÄRN I MASUGNEN... 15 3.12 DIREKTREDUKTIONSPROCESSEN... 16 3.13 LRI FRAMSTÄLLNING...17 3.13.1 Pelletframställning i Pot Furnace... 17 3.13.2 Modifierad RedM830 (LRI framställning)... 17 4 EXPERIMENT... 19 4.1 FÖRSÖKSPLAN FÖR TILLVERKNING AV LRI-PELLETS I POT FURNACE... 19 4.1.1 Basicitet... 20 4.2 METALLURGISK TESTNING AV PELLETS... 21 4.2.1 Testmetoder för icke reducerad pellets... 21 4.2.1.1 TTH Tumlings test... 21 4.2.1.2 RedM830... 22 4.2.1.3 ISO 11257, Sönderfall under reduktion (Midrex Linder)... 22 4.2.1.4 RHM, Sönderfall under reduktion (LKAB standard)... 23 4.2.1.5 RHH, Lågtemperatur sönderfall (HyL standard)... 24 4.2.2 Testmetoder för LRI... 25 4.2.2.1 HF... 25 4.2.2.2 Reoxidationsförsök i experimentmasugnen... 26 4.2.3 Gemensamma testmetoder... 26 4.2.3.1 ISO 4700, KTH... 26 4.2.3.2 ITH hållfasthet efter reduktion (Salzgitter)... 27 V

5 RESULTAT... 28 5.1 UTVÄRDERING AV RESULTAT SAMT KEMISKA ANALYSER FRÅN DEN ICKE REDUCERADE PELLETEN.... 28 5.1.1 KTH (ISO 4700)... 29 5.1.2 TTH... 30 5.1.3 ISO 11257 (Midrex Linder)... 31 5.1.3.1 Metalliseringsgrad efter ISO1125 (Midrex Linder)... 31 5.1.4 RHM... 32 5.1.5 RedM830... 33 5.1.7 RHH... 35 5.1.8 Kemisk Analys... 35 5.1.9 Optisk mikroskopi... 36 5.2 UTVÄRDERING AV RESULTAT SAMT KEMISKA ANALYSER FÖR LRI:N... 37 5.2.1 KTH... 38 5.2.2 ITH... 39 5.2.3 HF... 41 5.2.4 Modifierad RedM830... 42 5.2.5 Korgförsök i experimentmasugnen... 43 5.2.6 Optisk mikroskopi... 44 6 DISKUSSION... 45 6.1 ICKE REDUCERAT MATERIAL... 45 6.2 LRI... 45 7 SLUTSATSER... 47 8 REKOMMENDATIONER OCH FÖRSLAG TILL FORTSATT ARBETE... 48 9 REFERENSER... 49 10 BILAGOR... 50 VI

Nomenklatur MPBO KPBO KPRS KPBA HYL Potta 1-4 Masugnspellets tillverkad i Malmberget Masugnspellets tillverkad i Kiruna Direktreduktions pellets tillverkad i Kiruna Masugnspellets tillverkad i Kiruna, tillverkad för en blandad beskickning i masugnen. Mexikansk pellets Laboratorietillverkad pellets i pot furnace från Malmberget VII

1 Inledning 1.1 Bakgrund LKAB deltar i europeiskt forskningsprojekt där det övergripande målet är att minska CO 2 - utsläppen från stålindustrin med 50 %. I projektet är en idé att använda delvis reducerad pellets (LRI) i masugnen. Tanken är således att utföra en del reduktionsarbete innan masugnen. Reduktionen skall då utföras i någon form av direktreduktionsprocess där reduktionen sker i fast fas. Reduktionsgasen är i denna process naturgasbaserad med relativt stor andel vätgas. I och med att en stor del av reduktionen vid dessa processer sker med vätgas så bildas det mindre koldioxid. LRI är dock en ny produkt vilket innebär att det finns lite kunskap om dess egenskaper. 1.2 Syfte Pellets med olika basicitet är framtagna vid CK-laboratoriet i Malmberget, dessa pellets samt redan för LKAB kända pellets genomgår en reduktion till en metalliseringsgrad på ca 65 % Fe. Reduktionsprocessen motsvarar den som sker i ett direktreduktionsschakt, LRI (Less Reduced Iron) som det reducerade materialet kallas undersöks via ett flertal metallurgiska tester. Avsikten med projektet är att utifrån de olika testerna finna en eller flera pelletvarianter som kan vara lämplig för en framtida LRI-tillverkning. 2 Presentation av LKAB Luossavaara-Kiirunavaara Aktiebolag (LKAB) bildades år 1890 och ägs av den svenska staten via näringsdepartementet. Idag är LKAB ett internationellt högteknologisk företag, den enda betydande järnmalmexportören inom EU och kallas därför ofta för Europas hemmagruva. LKAB har två underjordiska gruvor, dessa är lokaliserade i Kiruna och Malmberget. Råmalmen från dessa förädlas i LKAB: s förädlingsanläggningar i Kiruna, Svappavaara och Malmberget. Produkterna transporteras via järnväg till LKAB: s två utskeppningshamnar som är belägna i Luleå och Narvik. Via dessa sker transport världen över till LKAB: s kunder. De största kunderna på masugnspellets finns i Sverige, Finland, Tyskland samt Beneluxländerna. Den enskilt största kunden är SSAB. Försäljningskontor finns i Sverige (Luleå), Belgien, Tyskland och Singapore [9]. 1

3 Teoretisk Bakgrund 3.1 Järnmalm Järnmalm är ett kommersiellt begrepp och används om järnrika mineral som innehåller en så pass hög halt att utvinning lönar sig [9]. 3.1.1 Järn Kemisk beteckning Fe, och är utan tvekan världens viktigaste och billigaste metall. I naturen är järnet kemiskt bundet till syre, vatten, koldioxid eller svavel i olika mineral. I jordskorpan är den genomsnittliga järnhalten 5-6 %. Viktiga malmbildande mineral [9]: Magnetit: Fe 3 O 4 (72,36 % järn) Hematit: Fe 2 O 3 (69,94 % järn) Götit: Fe 2 O 3 H 2 O (62,9 % järn) Limonit: Fe 2 O 3 H 2 O (högst 62 % järn) Siderit: FeCO 3 (48,2 % järn) Pyrit: FeS 2 (46,55 % järn) Det är ytterst ovanligt att mineralerna förekommer i rent tillstånd. Ofta är de blandade med andra mineraler (gångarter) vilka drar ner järnhalten. Koncentrationer ner till 30 % järn kan vara lönsamma att bryta, detta beror på andra faktorer som gångartens sammansättning och om fyndighetens storlek och åtkomlighet är gynnsamma [9]. 3.2 Malmberedning Från gruvan och fram till kulsinterverket genomgår malmen ett flertal enhetsoperationer. I Kirunagruvan sker brytningen genom så kallad skivrasbrytning, efter brytningen fraktas malmen till en inledande grovkrossning vilket sker med käftkrossar. Malmen krossas till en styckestorlek mindre än 100-150mm. Råmalmen transporteras därefter via skippar upp till sovringsverket. Där en fortsatt krossning utförs ned till stycken i skiftande fraktioner beroende på vilket anrikningsverk materialet transporteras till (KA1: -10mm; KA2: Autogen malning; SVP: -25mm). Frilagd gångart (gråberg) separeras från resten av malmen och körs på ett gråbergs upplag, malmen fortsätter till anrikningsverket för vidare förädling via malning och separering. Malningen av malmen sker i två steg, primär respektive sekundär malning. Efter primärmalningen sker en magnetisk primärseparering av malmslurryn där man tar bort en del av gångartsinnehållet. Godset mals en gång till i sekundärmalningen vartefter ytterligare ett 2

separeringssteg tar vid, detta resulterar i ett malmkoncentrat (slig) med hög järnhalt och ett lågt innehåll av gångart. Denna operation gäller för magnetit (Fe 3 O 4 ) där man utnyttjar dess starkt magnetiska egenskaper. I Malmberget bryts hematit (Fe 2 O 3 ), hematitmalmen har svagmagnetiska egenskaper vilket medför att separeringen sker via gravitation och elektromagneter med hög magnetisk flödestäthet. Det erhållna malmkoncentratet är i form av en slurry vilket kräver en avvattning för att få rätt fukthalt på sligen, och samtidigt bli lämplig för agglomerering. Sligen skickas till kulsinterverket varvid pellets tillverkas för att därefter transporteras till kunden. LKAB: s processkedja illustreras i Figur 1 nedan [12]. Figur 1: LKAB:s processkedja [9]. 3.3 Pelletstillverkning 3.3.1 Allmänt Före sintringen sker en formning som i LKAB: s fall utgörs framförallt genom rullning i en trumma. Formningen sker vanligtvis i rumstemperatur. Därefter upphettas den formade produkten till en hög temperatur, även kallad sintringstemperatur. Vid sintringstemperaturen sintras kornen i formkroppen ihop och bildar en stark slutprodukt [3]. 3.3.2 Varför sintrar LKAB? För mer än 100 hundra år sedan när LKAB:s gruvor togs i drift var kravet på produktivitet vid råjärnsframställningen i masugnen och kvaliteten på stålet betydligt lägre än idag. På den tiden var det möjligt att leverera i stort sett oförädlade produkter, som t.ex. magnetitstyckemalm för direktchargering i masugnarna. 3

Med tiden har dessa krav höjts och det har blivit nödvändigt för LKAB att bearbeta malmen till mer förädlade produkter. Det medförde att malmen måste krossas och malas för att frigöra föroreningarna och därigenom möjliggöra en rening av malmen genom separering. Dessa operationer medförde att malmen blev för fin för att direktchargeras i masugnen. Det blev därför nödvändigt att införa kulsintring för att sintra ihop de små malmkornen till en användbar produkt. Vilket medförde att LKAB:s pelletproduktion startades på femtiotalet i Malmberget då den första schaktugnen togs i drift [3]. 3.3.3 Pelletisering Med pelletisering avses en process som är uppdelad i delmoment. Där i ett första steg fingods med lämplig fukthalt och bindemedelstillsats agglomereras till råkulor, som sedan torkas för att i ett slutsteg härdas genom bränning vid hög temperatur [12]. Viktiga egenskaper för färdig pellets [15]: Hög och jämn järnhalt. Låg och jämn gångartshalt. Lätt att reducera. Hög hållfasthet för att klara transport mellan kulsinterverk och kundernas reduktionsanläggningar. Stabil storleksfördelning. Låg fukthalt. Låg mullhalt. Hög smältpunkt 3.3.4 Framställning av råkulor Rullkulorna framställs genom rullning av finkornig slig med lämplig fukthalt i rulltrummor eller rulltallrikar (illustreras i Figur 2). I Kiruna används enbart rulltrummor, men i bandugnsverket i Malmberget används rulltrummor samt en rulltallrik. Rulltrumman utgörs av en cylindrisk, roterande mantel, vars längdaxel lutar 6 till 8 o från horisontalplanet. Slig, bindemedel och vatten matas in i den högre liggande änden och den agglomerade produkten kommer ut i den lägre. 4

Rulltallriken består som namnet antyder av en roterande axel som lutar 45 o mot horisontalplanet där rullningen sker mot botten. Figur 2: Rulltrumma och rulltallrik [12]. Rotationshastigheten för såväl tallrik som trumma måste hålla sig inom ett visst intervall för att rullningen skall ske. En alltför långsam rotation kommer enbart att medföra att materialet ligger och glider i trumman medan för hög rotation gör att materialet kommer att falla satsvis utan att rulla. För att erhålla en god råkulekvalitet är det viktigt att rätt fukthalt, partikelstorlek, partikelstorleksfördelning samt typ och mängd av tillsatsmedel används. Sligens partikelstorlek, partikelstorleksfördelning samt ytenergin hos partiklarna samspelar med det vatten som finns i tomrummen mellan partiklarna vid rullningen av råkulorna. Då partikelytorna väts av vatten bildas kapillärkrafter som ger en sammanhållande kraft på kulorna (illustreras i Figur 3) [3,12]. För att få ytterligare bättre råkuleegenskaper gällande dess förmåga att binda till vatten samt öka kontaktytorna så tillsätts ett bindemedel, ett vanligt förekommande bindemedel är bentonit som är ett mineral bestående av SiO 2 och Al 2 O 3 [12]. Efter kulrullningen men före torkningen klarar den våta kulan endast att belastas med 0,5-1,5 dan utan att kollapsa. Det är dock tillräckligt för att den skall klara transporten från tillverkningen i rulltrumman till den slutgiltiga bränningen av pelleten. Efter att råkulan torkats ökar hållfastheten till ca 6 dan för att som slutgiltig pellets klara att belastas med åtminstone 200 dan utan att gå sönder [3]. Figur 3: Kapillärkrafter i en råkula [12]. 3.3.5 Sintring Bränning av råkulor kan ske i olika typer av ugnar. Processen inleds med en torkningsfas varvid större delen av råkulans vatteninnehåll förångas vid normalt 60 o C, en alltför kraftig värmetillförsel vid torkningen kan medföra att kulan sprängs. I det läge när vattnet har förångats är kulans hållfasthet kraftig försämrad på grund av att vattens kapillärkrafter försvunnit. 5

Nu fyller bindemedel som bentonit en viktig funktion genom att den bidrar till en stor sammanlagd kontaktyta. Tack vare bindemedlet håller kulan samman tills det att sintringsmekanismen kommer igång vid en högre temperatur. Efter torkningen sintras råkulorna vid en hög temperatur för att öka hållfastheten på pelleten. Optimal sluttemperatur vid bränning är i allmänhet 1250-1300 o C. En alltför hög temperatur resulterar i pellets med låg reducibilitet på grund av att gångarten smälts och bildar ett glasskikt på pelleten. För låg sintringstemperatur leder å andra sidan till dålig hållfasthet [12]. 3.4 Pelletiseringsprocesser Bränningssteget av kulorna sker framförallt i två typer av ugnar, Straight Grate ugnen där bränningen sker på ett ändlöst rosterband samt Grate Kiln ugnen som har slutbränning i en roterande ugn. Straight Grate processen är uppbyggd så att pelleten matas på ett band som passerar olika zoner där pelleten torkas, förvärms, sintras och kyls (se principskiss i Figur 4). En fördel med straight grate är att pelleten under hela processen ligger stilla på rosterbandet, detta medför att det svaga stadiet på pelleten efter torkningen inte har någon betydelse. En nackdel är att kulorna närmast sidoväggarna inte blir fullständigt sintrade vilket kan leda till att dessa pellets faller sönder under omlastning och transport. Figur 4: Straight Grate-processen [12]. Vid Grate Kiln processen (se Figur 5) är torknings- och förvärmningsstadiet liknande den i Straight Grate processen. Bränningen av kulorna sker i en roterugn (kiln) vid en sintringstemperatur på ca 1300 o C. Det mest kritiska steget är överföringen av kulorna från rosterbandet till den roterande ugnen, alla kulorna måste ha en sådan hållfasthet att de klarar fallet från rost till roterugn. 6

Figur 5: Grate Kiln-processen [12]. En fördel med Grate-Kiln ugnen är att roterugnen ger en mycket homogen bränning av kulorna inom ett snävt temperaturintervall [12]. 3.5 Oxidation av magnetit Vid oxidation av magnetit (Fe 3 O 4 ) bildas hematit (Fe 2 O 3 ). Man eftersträvar så fullständig oxidation som möjligt eftersom hematit är lättare att reducera. Den största fördelen med oxidation av magnetit till hematit är att det frigörs väldigt mycket värme. Dessutom gör oxidationen att värmet frigörs inuti kulan vilket gör att uppvärmningen går snabbare och behovet minskar för tillsats av processgas för uppvärmning. Snabbare uppvärmning gör att ett magnetitverk kan producera mer per m 2 verksarea än ett hematitverk. Oxidationen av magnetit är en exoterm reaktion och sker enligt följande reaktionsformel. 2Fe 3 O 4 + ½O 2 3Fe 2 O 3 Oxidationsförloppet påbörjas långsamt vid ca 500 o C för att göra en märkbar hastighets ökning när temperaturen överstigit 600 o C. I området mellan 1000 o C och 1150 o C nås en maximal hastighet för att helt avstanna vid 1340 o C. Överstiger temperaturen 1340 o C kommer magnetit att börja återbildas [3]. 7

3.6 Bindningstyper i pellets Olika typer av bindningstyper kan förekomma i pellets tillverkad av magnetitslig. Bindningarna uppstår exempelvis via oxidation av magnetit till hematitbindningar eller via slagger som fungerar som slaggfas [5]. 3.6.1 Järnoxidbindningar Som beskrivits tidigare börjar magnetitslig oxidera redan vid låga temperaturer. I samband med detta uppstår bindningar i beröringspunkterna mellan närliggande magnetitkorn, dessa bindningar kallas för hematitbindningar vilka åskådliggörs i Figur 6. Bindningarna börjar redan här att förstärka kulan, detta behövs tack vare att kulan är mycket svag eftersom det kapillärt bundna vattnet har förångats i torkprocessen. Desto längre oxidationen sker ju mer växer antalet bryggbildningar, men någon markant inverkan på hållfastheten eller bindningshastigheten sker inte förrän temperaturen överstigit rekristallisationstemperaturen dvs. över 1100 o C. När denna är uppnådd erhålles i regel en kraftig hållfasthetsökning. De delar av kulan som inte har hunnit oxidera vid 900 o C kommer närliggande korn påbörja en sammansintring. Detta kan exempelvis inträffa i kärnan på kulan där orsaken kan vara otillräckligt med syre [5]. Figur 6: Hematitbindningar [5]. 3.6.2 Bindningar via slaggfas Den övervägande delen av gångart som finns i LKAB:s magnetitslig är sur, den innehåller stora mängder SiO 2. Vid tillräckligt höga temperaturer kommer dessa att smälta och bilda glasiga silikatslagger. De glasiga silikat slaggerna har en avsevärt lägre hållfasthet än hematitbindningarnas. Vid en successiv höjning av bränningstemperaturen kan båda hematit- och slaggbindningar bildas (se Figur 7) vilket medför att hållfastheten hos kulorna ökar. Vid alltför höga bränningstemperaturer kommer emellertid slaggbindningarna att tränga undan hematitbindningarna och isolera hematitkornen, vilket resulterar i en sänkning av tryckhållfastheten [5]. Figur 7: Hematit- och slaggbindningar [5]. 8

3.7 LKAB:s pellettprodukter LKAB tillverkar två huvudprodukter pellet. Den ena är avsedd för masugnsprocessen, KPBO och KPBA från Kiruna samt MPBO från Malmberget. Den andra huvudprodukten är direktreduktionspellets avsedd för direktreduktionsverk. Tillverkas i Kiruna och kallas för KPRS [3]. 3.7.1 Masugnspellets Tillsatsmedel i form av olivin och eventuellt lite kalksten används för olivinpellets och i KPBA tillsätts olivin, kalksten och kvarts. Bentonit tillsätts som vanligt som bindemedel. Tillsatsmedlets uppgift är att ge en bra slaggsammansättning som ska passa masugnen. Tillsatsen av olivin anses vara bra ur produktions- och energisynpunkt, eftersom kulan ger ett temperaturmässigt högt och snävt smältintervall i masugnen. I Kiruna och Svappavaara tillsätter man en liten mängd kalksten till pelleten, detta gör man för att förbättra kulans egenskaper under den inledande reduktionen i masugnen [3]. 3.7.2 Pellets för direktreduktion DRI (Direct Reduced Iron) som även kallas järnsvamp definieras som en järnprodukt som minst nått en 80 % -ig metalliseringsgrad. I DRI pelleten tillsätts dolomit, bentonit samt organiskt material som bindemedel. Efter kylningen av pelleten behandlar man kulytorna med ett tunt lager coating (en blandning mellan bentonit och dolomit), för att undvika ihopkladdningar i DRI-processen. Dolomiten blandats även i sligen före sintringen och har till uppgift att ge pelleten bra egenskaper i järnsvampverken och även i efterföljande stålframställning [3]. Viktiga egenskaper för DRI pellets: Slaggens uppgift i ljusbågsugnar är att ta upp föroreningar som fosfor, vara skonsam mot ugnens eldfasta installation samt ha rätt smälttemperatur. Att ha en hög reduktionsgrad, så mycket från det ursprungliga syret som möjligt ska reduceras bort. Att kulorna inte kladdar ihop under reduktionen i ugnsschaktet. Vid tillverkningen av direktreduktionspellets görs pelleten en aning större än masugnspellets (1-2 mm). Anledningen är för att direktreduktionsprocessen kräver ett lågt gasmotstånd i schaktet [3]. 9

3.7.3 Jämförelse mellan DRI och LRI Båda dessa produkter använder sig av liknande reduceringsprocess, skillnaden är att LRI:n har en lägre metalliseringsgrad vilket medför ett snabbare reduceringsförlopp. Fördelar med LRI:n i jämförelse med DRI redovisas nedan. LRI är billigare att producera. LRI har en högre produktivitet genom reduktionsschaktet. LRI reduceras snabbare än DRI. Priset ut till kund blir lägre för LRI än DRI. 3.8 Reoxidation av metalliserad pellet När järnsvamp kommer i kontakt med luft bildas ett tunt men kompakt magnetitskikt (även kallat åldring eller deaktivering) på ytan. Skiktet medför en viss temperaturhöjning men skyddar mot fortsatt oxidation. Temperaturhöjningen blir inte nog stor för att kunna uppnå självantändningstemperaturen, om inte den ursprungliga järnsvamptemperaturen överstiger 120 o C [11]. 3.8.1 Fuktig atmosfär Om fukt finns närvarande innan åldringen startat kommer en större temperaturökning att ske. Närvaron av vatten medför att magnetitskiktet inte blir kompakt, detta medför att fria järnytor finns exponerade där ytterligare reoxidation kan ske. Även redan åldrad järnsvamp börjar korrodera och magnetitskiktet bryts upp, varvid nya järnytor exponeras och reoxidationsprocessen kan fortlöpa. Exoterma reaktioner sker från vilka överskottet på värme kan vara nog för att uppnå självantändningstemperaturen. Värmetillskottet som sker medför att de svagt endoterma reaktioner som ger vätgas fortlöper, vilket medför att en explosionsrisk uppkommer. Fuktproblemet kan undvikas genom lämplig hantering av järnsvampen. Förutsättningen för detta är ganska givet, att inte låta fukt eller vatten komma i kontakt med svampen innan den åldrats. Vid upplastning på hög måste underlaget vara torrt och dränerat, upplastningen får inte ske när det regnar. Då högen är färdigupplastad påverkar regnet enbart högens ytlager, svampens höga porositet gör att vattnet sugs upp av svampen i ytskiktet och tränger såleda inte ner i högen [11]. 3.8.2 Järnsvampporositet Vid reduktion av järnoxid uppstår en viss mikroporositet i materialet. Vid reduktionen sker en uppsprickning av oxidkornen samt att syre tas bort från gittret. I syregittret bildas då vakanser som koagulerar och bildar mikroporer. När metalliseringsgraden uppgår till 80-85 % är mikroporositeten hög i jämförelse med järnsvamp med 92-95 % i metalliseringsgrad. Detta har stor betydelse för reoxidationstendenserna. Järnsvamp med lägre metalliseringsgrad och högre mikroporositet 10

har högre reoxidationsbenägenhet än järnsvamp med högre metalliseringsgrad. Detta är inte kritiskt om det enbart handlar om ett fåtal kulor, däremot kan problem uppstå om metalliseringsgraden genomgående är låg i produkten [11]. 3.9 Reduktion av järnoxider De viktigaste järnmineralen är hematit (Fe 2 O 3 ) och magnetit (Fe 3 O 4 ), samt även wüstit (FeO). Reduktion av järnoxiderna har till syfte att framställa metalliskt järn. Reduktionen av järnoxiderna avlägsnar det bundna syret stegvis. I merparten av fallen är utgångsprodukten vid reduktion Fe 2 O 3. Hematiten reduceras till magnetit (Fe 3 O 4 ) följt av reduktion till wüstit (FeO) som i sin tur reduceras till slutprodukten Fe. En översiktlig bild för reduktionen av järnoxiderna visas i Figur 8. Järnoxider kan reduceras med antingen koloxid (CO) eller vätgas (H 2 ). Den övervägande delen sker med kol, i dessa fall sker antingen reaktionen C CO (direkt reduktion) eller CO CO 2 (indirekt reduktion). Då reduktionen sker med vätgas så upptar vätgasen syre och bildar vattenånga (H 2 H 2 O). Den direkta reduktionen är endoterm, vilket innebär att reaktionsvärme måste tillföras. Detta medför att man vill minimera andelen direkt reduktion i masugnen till fördel för den indirekta reduktionen. Om andelen direkt reduktion blir för stor måste reaktionsvärme tillföras processen, detta görs genom att kol, olja, naturgas eller vätgas förbränns med luft/syrgas samt med elektrisk energi [12]. Figur 8: Schematisk bild för reduktion av järnoxider i masugnen [4]. 11

3.9.1 Fe - O - C systemet Kokset har som funktion i masugnen att förse ugnen med reaktionsgas och värme samt att kokset skall bära upp beskickningen när järnbärarna börjar mjukna i den nedre delen av schaktet. Innanför formorna i masugnens nedre del där kokset förbränns bildas kolmonoxid. Gasen stiger upp genom ugnen och möter den nedåtgående beskickningen, kolmonoxiden reagerar med järnbärarna och koldioxid bildas. Jämviktsdiagrammet med systemet Fe- O-C visas i Figur 9. De reaktionssteg som sker är; Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 FeO Fe. CO fungerar som reaktionsmedia, formlerna redovisas nedan [1]. Figur 9: Jämviktsdiagram Fe-O-C. 3Fe + + H 298K = -54,1 kj/mol 2O3 CO 2Fe3O 4 CO 2 3O 4 CO 3FeO CO 2 Fe + + H 298K = +36,9 kj/mol FeO + CO Fe + CO 2 H 298K = -15,9 kj/mol 3.9.2 Fe O H systemet Järnoxiden reduceras även med vätgas, denna bildas i den isoterma zonen som ligger i den mellersta zonen i masugnen. Figur 10 återger jämviktsdiagrammet för Fe-O-H systemet. Vätgas bildas enligt den så kallade vattengasjämvikten: CO + H + 2O CO 2 H 2 Vätgas fungerar som reaktionsmedia, enligt följande reaktionsformler [1]: Figur 10: Jämviktsdiagrammet Fe-O-H. 3Fe2 O3 + H 2 2Fe3O 4 + H 2O H 298K = -12,6 kj/mol Fe3 O 4 + H 2 3FeO + H 2O H 298K = +76,3 kj/mol FeO + H 2 Fe + H 2O H 298K = +25,1 kj/mol 12

3.10 Masugnsprocessen 3.10.1 Masugnen Masugnen är en motströmsprocess där järnoxiderna reduceras stegvis. Järnbärare, slaggbildare och koks chargeras i toppen av masugnen, de olika beskickningsmaterialen sätts på i lager för att bibehålla så god permeabilitet som möjligt genom schaktet. I den nedre delen av schaktet blåses förvärmd syrgasanrikad luft in via formor. Syret i luften förenar sig med kolet i koksen och bildar koldioxid. Den intensiva värmeutvecklingen ger en flamtemperatur på 1800-2500 o C. Eftersom koldioxid är instabil över 1000 o C vid närvaro av kol bildas koloxid enligt CO 2 + C 2CO Gasen strömmar uppåt genom schaktet och möter och värmer den nedåtgående beskickningen, samtidigt minskar CO-halten medan CO 2 - halten ökar. Beskickningsmaterialet i en masugn består av: Järnbärare: Sinter, pellets, styckemalm, skrot. Slaggbildare: Kalksten, LD-slagg, Kiselkalk. Tillsatser: Mangan slagg. Reduktionsmedel: Koks och kol. Temperaturen på gasen sänks från 1800-2500 o C innanför formorna till 75-250 o C vid masugnens topp tack vare den värmeväxling som sker i schaktet. Järnbärare och koks värms upp allteftersom de kommer ner i ugnen för att nå den temperatur där de börjar mjukna för att slutligen smälta. Det smälta råjärnet samlas upp i ugnens botten, även kallad stället. Tappningen sker genom ett tapphål som borras upp, efter avslutat tappning sätts hålet igen genom att en härdande keramisk massa trycks in i hålet med hjälp av en stoppkanon. En principskiss av masugnen visas i Figur 11 [1,13]. Figur 11: Översiktlig bild över masugnen. 13

3.10.2 Masugnens reaktionszoner Masugnen kan ur metallurgisk synpunkt delas upp i tre zoner. Dessa är förvärmningszonen, termiska reservzonen och smältzonen. Allt eftersom beskickningen rör sig genom de olika zonerna kommer olika reaktioner att ske, dessa redovisas nedan i Figur 12 [1,2]. Figur 12: Temperatur- och gasprofil i masugnen [1]. Reaktioner i den övre zonen Den övre zonen kallas för förvärmningszonen. I denna zon sjunker temperaturen på gasen från ca 800-1000 o C snabbt ner till 100-250 o C. Däremot ökar beskickningens temperatur från rumstemperatur upp till ca 800 o C. De viktigaste reaktionerna som sker här är den indirekta reduktionen av hematit och magnetit till lägre oxider [1,2]. 3Fe 2 O 3 + CO 2Fe 3 O 4 +CO 2 Fe 2 O 3 + CO 2FeO +CO 2 Reaktioner i mittzonen I mittzonen är temperaturen hos det fasta materialet och gasen näst intill identiska (800-1000 o C), och ett väldigt litet värmeutbyte sker. Den kallas därför för den termiska reservzonen. Här sker den största delen av den indirekta reduktion av wüstit (FeO). Zonen upptar ungefär 50-60% av masugnsvolymen [1,2]. FeO + CO Fe + CO 2 14

Reaktioner i nedre zonen Den nedre zonen kallas för smältzonen. Denna sträcker sig 3-5 meter ovanför formnivån, och når temperaturer mellan 1400 och 1450 o C i det beskickade materialet. Gasen kyls från 2000 o C i race-way till ca 1000 o C då gasen går in i den termiska reservzonen. Malmråvaran smälter och bildar två faser, en kolhaltig smält råjärnsfas och en slaggfas. De viktigaste reaktionerna som sker i denna fas är: Direktreduktion av järnoxid: FeO + C Fe + CO Direktreduktion av SiO 2, MnO, P 2 O 5 och andra oxider. Avlägsnande av svavel till slagg: S + CaO + C CaS + CO Förbränning av kol/co: C + O 2 CO 2 2CO + O 2 2CO 2 Reduktion av fukt i blästern: C + H 2 O CO + H 2 Reduktion av koldioxid: CO 2 + C 2CO Reduktionen av koldioxid kallas även för Boudouars reaktion. Det är en mycket viktig reaktion då den svarar för nästan hälften av värmebehovet i masugnen [1,2]. 3.11 Tillsats av metalliserat järn i masugnen Experimentförsök Tester genomfördes redan 1964 vid U. S. Bureau of Mines anläggningar i USA, dessa uppvisar en ökning av råjärnstillverkningen samtidigt som det sker en minskning av koksförbrukningen. Detta sker genom tillsats av metalliserad pellets i masugnen. En tillsats av 85 % metalliserad pellet och 15 % oxiderad pellet medförde en driftökning på råjärnstillverkningen med 75 %. Vid tillsats av 30 % metalliserad pellet minskar kokskonsumtionen med 23 %. Jämförelsevis vid tillsats av 85 % metalliserad pellet blir minskningen av kokstillsatsen 47 %. Ytterligare test genomförda av U. S. Steel Corporation med en annan typ av metalliserat material, jämförelsen gjordes mellan briketter innehållande 69 % metalliserat järn och skrot med 98,5 % järn. Testerna uppvisar en ökning av råjärnstillverkningen samt en minskning av koksförbrukningen, alltså ett liknande resultat som U. S. Bureau of Mines test. Fortsättningsvis påvisade testet att ökningen av råjärnsproduktionen och minskningen av koksförbrukningen enbart berodde på procenten av metalliserat järn som tillsattes och det gjorde ingen skillnad om materialet kom från briketter eller skrot. Båda testerna genomfördes i experimentmasugnar [14]. Full skale försök En uppföljning av tidigare tester gjordes av Steel Company of Canada (Stelco) i en kommersiell masugn. Testet uppdelades i två delar, en utan och en med tillförsel av naturgas 15

via formorna. I testet gjordes jämförelsen genom att köra 100 % oxiderad pellet samt en med blandningen, 70 % oxiderad pellet och 30 % metalliserad pellet. Detta resulterar i att testet med metalliserad pellets utan naturgasinjektion ökar råjärnstillverkningen med 20 % och koks förbrukningen minskar med ungefär samma mängd. Testet med metalliserad pellets och med naturgasinjektion resulterar i en ökning på råjärnstillverkningen med 17 % och minskning på koks konsumtionen med samma mängd. Hursomhelst, var det en kraftig ökning av den dagliga produktionen av råjärn samt den dagliga konsumtionen av koks minskade. Detta är ett bevis på att även om många stålverk arbetar för högtryck för att producera så mycket som möjligt så finns det fortfarande större produktionsmål att uppnå, där ett är genom att använda sig av metalliserad pellet. Vid en jämförelse mellan resultaten från experiment masugnen och en vanlig kommersiell masugn, så påvisar resultaten från experimentmasugnen en större ökning i produktionstakt och en större minskning i konsumtion av koks än vad som sker i den kommersiella masugnen [14]. 3.12 Direktreduktionsprocessen Direktreduktionsprocess är ett samlingsnamn för de processer som reducerar järnoxiden i fast form. I processen sker alltså ingen smältning utan produkten, även kallad järnsvamp, smälts i samband med stålframställningen i en elektrostålugn (se principskiss i Figur 13). De dominerande direktreduktionsprocesserna är MIDREX och HYL III. Båda processerna arbetar efter följande principer. Beskickningen som används består av pellets och styckemalm som har hög Fe-halt, styckemalm används enbart i en liten utsträckning. Reduktionen sker i ett schakt där godset som transporteras nedåt möter reduktionsgasen. Reduktionsgasen som används är reformerad naturgas. Detta medför att DR-verk framförallt finns i de länder som har tillgång till billig naturgas. Reduktionen sker i fast fas, ingen smältning av järnet sker, vid temperaturer kring 900-1000 o C [9]. Figur 13: Direktreduktionsprocessen [9]. 16

3.13 LRI framställning 3.13.1 Pelletframställning i Pot Furnace Vid simuleringen av en pelletmaskin används en pot furnace vid CK laboratoriet i Malmberget, se Figur 14. Pottans diameter är cirka 30 cm och höjden är 60 cm. Pelletmaskinens olika zoner simuleras genom att luft i varierande temperatur tvingas upp genom eller sugs ner genom kulbädden. Simuleringen försöker i första hand likna pelletmaskinens olika temperaturprofiler. I jämförelse med produktion i full skala så sker driften av pottan under betydligt mer kontrollerade former, pelleten som tillverkas i pottan ger ett bättre resultat. Detta beror till största del på skillnaderna i gasflödena. Pottans gasflöde är i början av varje zon lägre än i pelletmaskinen, och i slutet av zonerna högre. I kylzonen tvingas förvärmd luft genom bädden, detta görs eftersom kylluften i verkligheten snabbt blir uppvärmd av bäddens kulor samt det oxidationsvärme som genereras. Figur 14: "Potta" för simulering av en pelletmaskin i laboratorieskala [10]. 3.13.2 Modifierad RedM830 (LRI framställning) Testmetoden RedM830 utvecklad av LKAB används under modifierade förhållanden för att tillverka LRI. Modifieringen har gjorts för att ha så likvärdiga gasförhållanden som möjligt som de som råder i direktreduktionsprocessen. I den modifierade metoden består programmet av två reduktionsfaser. Den första fasen har en gaskomposition som efterliknar den som sker i den övre delen av direktreduktionsschaktet, och den andra fasen har en högre reducerande gaspotential vilken är jämförbar med den nedre delen av schaktet. Reduktionen sker isotermiskt vid 830 o C. Specifikationer för den modifierade RedM830 visas i Tabell 1. 17

Tabell 1: Specifikationer för modifierad RedM830 Testtemperatur 830 o C Reduktionstid Red.gas A: 20 minuter Red.gas B: Till 75% Red.grad Reduktionsgas A: H 2 /CO/CO 2 /H 2 O 40/20/15/25% B: H 2 /CO/CO 2 /H 2 O 55/35/5/5% Gasflöde 50 liter/min Provvikt 500 gram Fraktion; Pellets 50/50% 10-12,5 mm / 12,5-16 mm Utrustningen består av en elektrisk ugn i vilken en vertikal stålreduktionstub innehållande pellets förs ner. Tuben har en innerdiameter på 75 mm. Utrustningen visas i en principskiss i Figur 15. Provet torkas i 105 o C tills det att konstant vikt erhålls. Uppvärmningen startar och kvävgas passerar genom provet tills provet uppnått rätt reduktions temperatur (830 o C). Kvävgasen byts då mot reduktionsgas. Den första reduktionsfasen tar vid med reduktionsgas A under 20 minuter för att fortsätta med reduktionsgas B tills det att 75 % reduktionsgrad uppnåtts, då avbryts testet. När reduktionen är färdig tas tuben ut från ugnen och kyls ner med kväve. Figur 15: Principskiss för RedM830 [10]. 18

4 Experiment 4.1 Försöksplan för tillverkning av LRI-pellets i Pot Furnace Försöksprogrammet är enligt följande: Tallriksrullning + Pot Furnace + Testning 1. Filtrerad KPC slig från KA2 används som material. 2. Tillsatsmedel: Kalksten enligt standard. Bindemedel: Bentonit enligt standard. 3. Pot furnace program körs. Standard KK3 program 50 kg potta. Total omfattning är 8 pottor sammanlagt, fyra olika pelletvarianter med dubbelpottor av varje (A och B). Före testning slås Potta A och Potta B för varje pelletvariant ihop. Fyra provmaterial erhålls. I Tabell 2 redovisas hur mycket bentonit och kalksten som blandas i sligen för varje pelletvariant. Tabell 2: Bentonit- och kalkstenstillsatser samt pelletfraktionen för de olika pottorna Material Fraktion Bentonit Kalksten Potta 1 50% 10-12,5 mm 50% 12,5-16 mm 0,55 % 0,00 % Potta 2 50% 10-12,5 mm 50% 12,5-16 mm 0,55 % 0,45 % Potta 3 50% 10-12,5 mm 50% 12,5-16 mm 0,55 % 0,75 % Potta 4 50% 10-12,5 mm 50% 12,5-16 mm 0,55 % 1,25 % Materialet från pott körningen samt KPBO, KPBA, MPBO, KPRS och en HYL pellets testas enligt följande metoder (metoderna beskrivs i kapitel 4.2.1 och 4.2.3): KEM analys (XRF, Fe2+K) KTH ISO 4700 (120 kulor) TTH (3 kg) Optisk Mikroskopi RHM Midrex Linder (ISO 11257) RedM830 ITH RHH 19

Efter testningen reduceras materialet till 65 % metalliseringsgrad i den modifierade RedM830, på detta material (LRI) körs sen nya tester. Testmetoder för LRI (metoderna beskrivs i kapitel 4.2.2 och 4.2.3): KTH ISO 4700 (60 kulor) ITH - hållfasthet efter reduktion Reoxidationsförsök i LKAB: s experimentmasugn HF Optisk Mikroskopi 4.1.1 Basicitet Basiciteten för de olika pelletprodukterna redovisas i Tabell 3. B2 = vikts% CaO vikts% SiO 2 Tabell 3: Basiciteten för de olika pellets produkterna. Material Potta 1 Potta 2 Potta 3 Potta 4 KPBO KPRS MPBO KPBA HYL Basicitet 0,26 0,55 0,73 1,05 0,21 1,18 0,23 0,21 0,23 (Mindre än 1 => Sur pellets, mer än 1 => Basisk pellets) 20

4.2 Metallurgisk testning av pellets Pelleten genomgår olika tester med avseende på dess metallurgiska och mekaniska egenskaper samt dess reoxidations benägenhet. Man skall dock beakta att reduktionstesterna inte simulerar direktreduktionsprocessen utan de skall ses som ett verktyg vid kvalitetskontroll av pellets. Den metallurgiska och mekaniska testningen ses som en viktig kvalitetsfunktion för testning av färdig pellets. Pelleten testas i ett antal olika standardiserade testprogram, både tester som är framtagna av LKAB samt tester som kopplas till ISO standarder. I detta projekt redovisas de testmetoder som kommer att användas nedan i kapitel 4.2.1 och 4.2.2. 4.2.1 Testmetoder för icke reducerad pellets 4.2.1.1 TTH Tumlings test Ett standard test som baseras på ISO 3271, skillnaden är att här körs 3kg istället för 15kg. Testet undersöker hur materialet påverkas genom fall- och abrasionsrörelser, materialet som testas är agglomererade produkter (pellets). Utrustningen som används är en cirkulär roterande trumma med en inre diameter på 1000mm och en längd på 500mm (se Figur 16), trumman innehåller två lyftare på vardera 50mm, detta för att få en effektiv tumling av materialet. Materialet chargeras i trumman som roterar 200 varv vid en hastighet av 25 varv/min, när tumlingen av pelleten är färdig siktas materialet i 2,5 minuter och resultatet erhålls i vikts - % +6,3 mm (tummel index) och -0,5mm (abrasions index) [6]. Figur 16: Foto av TTH-tumlingstest (ISO3271). Tabell 4: Testparametrar för TTH (ISO3271) Provvikt Fraktion Rotationshastighet Antal varv Siktning efter reduktion 3 kg Pellets: 6,3-40 mm 25 varv/min 200 st 6,3 mm och 0,5 mm 21

4.2.1.2 RedM830 Testmetod utvecklad av LKAB för att bestämma reducibiliteten för pelleten och styckemalm under de gas- och temperaturförhållanden som råder i direktreduktionsprocessen. Utrustningen som används illustreras i Figur 15. Provet som består av 500gram reduceras isotermt vid en temperatur av 830 o C, reduktionen avbryts vid 95 % reduktionsgrad. De resultat som redovisas är den tid det tar att uppnå 95 % reduktionsgrad samt reduktionshastigheten vid 40 % reduktionsgrad (R 40 ). Reduktionshastigheten R 40 representerar hur mycket syre som lämnar provet per minut vid 40 % reduktionsgrad. Tabell 5: Testparametrar för RedM830 Testtemperatur 830 o C Reduktionstid Tid till 95% reduktionsgrad Reduktionsgas H 2 /CO/CO 2 /H 2 O 55/35/5/5% Gasflöde 50 liter/min Provvikt 500 gram Fraktion Pellets: 10-12,5 mm Styckemalm: 10-16 mm 4.2.1.3 ISO 11257, Sönderfall under reduktion (Midrex Linder) Midrex Linder skall efterlikna de förhållanden som råder i ett direktreduktionsschakt, testet går ut på att mäta sönderfall samt metallisering hos järnbärare. En principskiss på utrustningen beskrivs i Figur 17. I detta test reduceras 500gram provmaterial vid en temperatur av 760 o C samtidigt som tuben roterar. Reduktionen sker i 300 minuter. Sedan kyls materialet för att efter detta siktas, där procentandelen som är mindre än 3,15 mm ger ett mått på hållfastheten under reduktion. Liten andel 3,15mm innebär ett litet sönderfall i testet [8]. Figur 17: Principskiss för ISO11257 [10]. Efter testet analyseras även materialet kemiskt med avseende på totalt järn, metalliskt järn och kolinnehåll. 22

Tabell 6: Testparametrar för Midrex Linder (ISO11257) Testtemperatur 760 o C Reduktionstid 300 minuter Reduktionsgas H 2 /CO/CO 2 /CH 4 55/36/5/4% Gasflöde 13 liter/min Provvikt 500 gram Fraktion Pellet: 10-16 mm 50/50%; 10-12,5/12,5-16 mm Styckemalm: 10-20 mm 50/50%; 10-16/16-20 mm Rotationshastighet på tub 10 varv/min Siktning efter reduktion 10- och 3,15 mm 4.2.1.4 RHM, Sönderfall under reduktion (LKAB standard) En testmetod utvecklad av LKAB för testning av pellets och styckemalm med avseende på dess hållfasthet under reduktion. Gassammansättningen liknar den som råder vid ett naturgasbaserat direktreduktionsverk. Testutrustningen är av samma princip som används i ISO11257 (se Figur 17), det som skiljer dessa två är temperaturen och gassammansättningen. I testet reduceras materialet i två steg. Ett första där temperaturen successivt ökas under 60 minuter till 800 o C, och steg två där reduktionen sker isotermt under ytterligare 90 minuter. I första steget (förreduktionsfasen) är gassammansättningen (reduktionsgas A) 40 % H 2, 20 % CO, 15 % CO 2 och 25 % H 2 O. I steg två som sker isotermt vid 800 o C är gassammansättningen (reduktionsgas B) 55 % H 2, 35 % CO, 5 % CO 2 och 5 % H 2 O. Materialet kyls för att efter detta siktas upp i fraktioner +6,3 mm; +3,15 mm och 0,5 mm. Resultatet från testet representeras av procentandelarna av de olika fraktionerna, vilket ger ett mått på sönderfallet i testet. Tabell 7: Testparametrar för RHM (Sönderfall under reduktion) Testtemperatur Reduktion och uppvärmning till 800 o C följt av isoterm reduktion vid 800 o C Reduktionstid 60 minuter med reduktionsgas A + 90 minuter med Reduktionsgas B Reduktionsgas Gas A: H 2 /CO/CO 2 /H 2 O 40/20/15/25% Gas B: H 2 /CO/CO 2 /H 2 O 55/35/5/5% Gasflöde 15 liter/min Provvikt 500 g Fraktion Pellets: 10-12,5 mm Rotationshastighet på tub 25 varv/min Siktning efter reduktion 6,3 mm; 3,15 mm; 0,5 mm Siktningstid 150 sekunder 23

4.2.1.5 RHH, Lågtemperatur sönderfall (HYL standard) RHH testet skall motsvara reduktionen som sker i direktreduktionsprocessen. En isotermisk reduktion av provet (1000 gram) sker vid 500 o C i en roterande trumma. Trumman (inre diameter på 100 mm och en längd på 200 mm) innehåller fyra longitudinella bafflar som ska underlätta tumlingen av materialet. Under tumlingen av materialet roterar trumman 18 varv/min. Efter reduktion och kylning siktas materialet genom fraktionen +6,3 mm; +3,15 mm och 0,5 mm. Testutrustningen är liknande den i Figur 17, skillnaden är temperaturen och gassammansättningen. Resultatet som fås är storleksfördelningen av det reducerade materialet. Tabell 8: Testparametrar för RHH (Lågtemperatur sönderfall) Testtemperatur 500 o C Reduktionstid 120 minuter Reduktionsgas H 2 /CO/CO 2 /N 2 55/21/14/10% Gasflöde 20 liter/min Provvikt 1000 g Fraktion Pellets: 10-16 mm (50/50%; 10-12,5/12,5-16 mm) Rotationshastighet på tub 18 varv/min Siktning efter reduktion 6,3 mm; 3,15 mm; 0,5 mm 24

4.2.2 Testmetoder för LRI 4.2.2.1 HF HF-ugnen är en metallurgisk testmetod, tester körs för att simulera smältpunkten på reducerad pellets. Testmetoden är delvis automatiserad, testprogrammet körs automatiskt medan laddning och tömning sker manuellt. Laddningen görs med 90 gram pellets. En principskiss på ugnen visas i Figur 18. Pelleten sätts i en grafitdegel som placeras på ett keramikrör i ugnen. Degeln och röret placeras ovanför vågen där det smälta materialet senare samlas upp i en provkopp. Pelleten i grafitdegeln utsätts både för en hög temperatur samt för en belastning. Temperaturen ökar från rumstemperatur upp mot ca 1550 o C för att efter detta sakta minska ner emot rumstemperatur igen. Belastningen på provet erhålls med hjälp av en tryckcylinder, denna belastning ställs in med hjälp av en manuell tryckregulator. För att mäta temperaturen från start upp till 900 o C används ett termoelement som är kopplad till en temperaturindikator placerad på ugnen. Då temperaturen når 900 o C lyfts detta ut och en optisk pyrometer sätts in, när denna är inställd sätts ugnen på automatisk drift. En temperaturökning på 7 o C/min sker upp till cirka 1550 o C. När första smältan registreras på vågen kopplas detta till temperaturmätaren som registrerar temperaturen, detta förfarande fortsätter allt eftersom vågen registrerar en viktsökning. Tack vare denna registrering erhålls en bra överblick av hur materialet reagerar vid olika temperaturen. Figur 18: Principskiss över HF-ugnen [10]. 25