LKAB´s Experimental blast furnace and pellet development
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LKAB´s Experimental blast furnace and pellet development
Welcome Publications LKAB’s experimental blast furnace and pellet development* M. Hallin, L. Hooey, J. Sterneland (LKAB, Luleå), D. Thulin (LKAB, Brussels) ■ THE EXPERIMENTAL BLAST FURNACE The experimental blast furnace, built in 1997, is located in Luleå/Sweden (fig. 1). The three tuyeres are equipped with injection systems for coal, oil and other particulate materials such as slag formers. Two pebble heaters are capable of raising the blast temperature to 1300°C. With a top pressure of 1.5 bar the normal production rate is 35 tons per day. LKAB’s experimental blast furnace with a hearth diameter of 1.2 m and a working volume of 8.2 m3 produces approximatively 35 tons of hot metal/day and, not the least, valuable information. The furnace is used for the evaluation of burden materials and combinations as well as modified or new blast furnace operational concepts and equipments. Nine campaigns ranging from 6 to 11 weeks have been performed since the startup in 1997. All typical equipment required by commercial blast furnaces is included. The general specifications and working parameters are shown in table I. Burden probes are installed at the tuyere level and in the lower and upper shaft. There is one inclined probe into the bosh area. All probes are equipped with a gas collecting and temperature measuring head. The shaft probes and the inclined probe may also be used to collect material samples from the furnace (fig. 2). The furnace is equipped with a sophisticated control and display system for the continuous monitoring and logging of data (fig. 3). When it comes to evaluating the results from the experimental blast furnace operation, the following criteria have been found relevant : TABLE I : Specifications of the LKAB experimental blast furnace. TABLEAU I : Caractéristiques du haut-fourneau expérimental de LKAB. Working volume * Subject of a presentation at the 2001 ATS International Steelmaking Conference (Paris, December 12-13, 2001, Session 1). ® La Revue de Métallurgie 2002. La Revue de Métallurgie-CIT Avril 2002 8.2 m3 Hearth diameter 1.2 m Working height 5.9 m 3 tuyeres, diameter 54 mm Top pressure up to 1.5 bar Injection coal, oil, slag formers Blast volume up to 2000 Nm3/h Blast heating pebble heaters Max. blast temp. 1300°C Furnace crew (excluding sampling/research staff) 5/shift Tapping volume c. 1.5 t/tap Tap time 5-15 min Fuel rate c. 500 kg/t hot metal 311 Welcome Publications Le haut-fourneau expérimental de LKAB et le développement de boulettes M. Hallin, L. Hooey, J. Sterneland (LKAB, Luleå), D. Thulin (LKAB, Bruxelles) Le haut-fourneau expérimental de LKAB, qui peut atteindre une production d’environ 35 tonnes de fonte/jour, permet surtout d’obtenir de précieuses données et informations. Neuf campagnes de 6 à 11 semaines ont déjà été réalisées depuis son démarrage en 1997. Le haut-fourneau expérimental Le haut-fourneau expérimental a un volume effectif de 8,2 m3 et un diamètre de creuset de 1,2 m. Les trois tuyères sont équipées d’un système d’injection du charbon, de fioul ou d’autres produits tels que des fondants. Des sondes sont installées à plusieurs niveaux. Toutes, sauf la sonde de tuyère, peuvent être utilisées pour collecter des échantillons. Quant à l’évaluation des résultats du fonctionnement du haut-fourneau, les critères sont le niveau et la régularité des paramètres suivants : – l’utilisation des gaz (ηco), – la perméabilité de la charge, – la vitesse de descente de la charge (BDR), – la température au gueulard, – la composition de la fonte. Expertise après trempe à la fin d’une campagne d’essais À la fin de chaque campagne, le fourneau est gelé à l’aide d’azote et son état interne est expertisé. Des échantillons, suivant une configuration prédéterminée, sont alors récupérés dans chaque couche. Un logiciel a été développé pour visualiser en 3D les points où ont été prélevés les échantillons, permettant ainsi au chercheur de se mouvoir dans le fourneau et de sélectionner un échantillon qui lui donnera des informations détaillées comme des images minéralogiques par exemple. Boulettes LKAB Grâce au haut-fourneau expérimental, LKAB a pu développer un nouveau type de boulette spécialement étudié pour être enfourné avec des agglomérés au haut-fourneau. Boulettes et minerai criblé Dans beaucoup de cas, des modifications importantes apportées au mélange enfourné n’ont pas eu d’effets immédiats. Par exemple, l’introduction de 24 % de minerai criblé de type goethite dans une charge de boulettes ne modifie pas de manière sensible la perméabilité de cette charge au flux de gaz. Cependant, il y a eu un effet important sur certains paramètres lié à une diminution de la reductibilité : changement du niveau et de la régularité de l’utilisation des gaz, ainsi que du degré de réduction des échantillons provenant des sondages de la cuve. Les limites des essais standard de laboratoire Avec un certain type de boulettes d’essai, le haut-fourneau expérimental a connu des cycles rapides de réduction, des pointes élevées de ηCO suivies par une mauvaise répartition gazeuse et une descente cahotique de la charge. Ce type expérimental de boulette présente un gonflement et de nombreuses fissures après réduction dans le hautfourneau, ce qui n’est pas le cas avec le test de gonflement standard ISO 4698. D’autre part, une petite quantité de soufre ajoutée au gaz dans le test de gonflement a entraîné un gonflement catastrophique avec le même type de boulette. Toutefois, des espèces soufrées, aussi bien que d’autres composants potentiellement importants même en petites quantités, ne sont pas présents dans le test de gonflement standard ou dans n’importe quel test standard, ce qui limite fortement la fiabilité de ces tests. Conclusions - perspectives d’avenir Le haut-fourneau expérimental de LKAB s’est avéré un outil d’évaluation réaliste pour simuler la nature complexe d’un haut-fourneau industriel. Cette acquisition continue de connaissances va permettre non seulement le développement de produits plus performants, mais également d’innover au niveau de la constitution de la charge enfournée, des paramètres de marche et des équipements du haut-fourneau. Le nouveau produit KPBA, un boulette acide contenant de la quartzite comme additif principal, est maintenant couramment utilisé dans des hauts-fourneaux européens, et ce depuis plus d’un an. 312 La Revue de Métallurgie-CIT Avril 2002 Welcome Publications HAUT-FOURNEAU Fig. 3 – Control screens. Fig. 3 – Écrans de contrôle. – permeability and its variation during operation, measured as the burden resistance : PVbosh = (P2blast – P2top)/(Vbosh gas)1.7 · Const. – gas utilization and its stability, ηCO = CO2/(CO+CO2), as from top gas analysis ; – burden descent rate and its stability, calculated from stock rod information ; Fig. 1 – The experimental blast furnace. – top gas temperature and its stability ; Fig. 1 – Le haut-fourneau expérimental. – stability in hot metal composition. ■ EXCAVATION AFTER A CAMPAIGN At the end of a campaign the furnace is quenched by nitrogen and, after cooling, excavated. Material samples from a net pattern are then retrieved for each layer. Software has been developed to show the sampling points in 3D and enable the researcher to move around in the furnace environment and select any sample to get detailed information, such as mineralogical images (fig. 4). ■ LKAB BLAST FURNACE PELLETS The LKAB olivine pellets, KPBO, were introduced nearly 20 years ago. Because the olivine pellets softened and melted at considerably higher temperatures than the previously used types of pellets, it was possible to reduce fuel consumption in blast furnaces operating with 100 % pellets. For the first time, better operating results were achieved with pellets than with sinter in terms of productivity and fuel rate. Fig. 2 – Burden probes at LKAB’s experimental blast furnace. Fig. 2 – Sondes de prélèvement au haut-fourneau expérimental de LKAB. La Revue de Métallurgie-CIT Avril 2002 In recent years, the main focus has been to develop a pellet designed to have softening and melting properties that work well with sinter. The criteria have been stability in material descent, burden permeability and gas utilization. 313 Welcome Publications Fig. 4 – Visualization of the samples. Fig. 4 – Micrographie d’échantillons. 1 Medium and fine grained hematite / Grains d’hématite. 2 Mixed sized magnetite grains, partly “matrix-like” / Grains de magnétite de différentes tailles et partiellement sous forme de matrice. 3 Magnetite matrix and continuous phase of wustite / Matrice de magnétite et plage de wüstite. 4 Metallic iron, “snowflake” crystal-like grains / Fer métallique et grains cristallisés. 5 Sintered metallic iron / Fer métallique aggloméré. 6 Melted metallic iron and pores / Fer métallique fondu et pores. Thanks to the experimental blast furnace, LKAB has now launched a new blast furnace pellet specially designed for operation with sinter. The new product, KPBA, an acid pellet with quartzite as main additive, has been in regular use in European steel works for more than a year (table II). The improved operational stability experienced in the experimental blast furnace with the new pellet in a mixed burden has been confirmed in a commercial blast furnace (table III). TABLE II : LKAB blast furnace pellets. TABLEAU II : Boulettes LKAB pour haut-fourneau. 314 KPBO KPBA (%) 66.6 67.1 SiO2 (%) 2.05 2.3 CaO (%) 0.46 0.55 MgO (%) 1.55 0.52 Al2O3 (%) 0.22 0.22 Fe TABLE III : Level and standard deviation of some operational parameters. Comparison between the experimental furnace and an industrial furnace. TABLEAU III : Niveau et écart type de quelques paramètres de marche. Comparaison entre le fourneau expérimental et un haut-fourneau industriel. LKAB exp BF (1.2 m) Bremen No. 2 BF (12 m) KPBO KPBA KPBO KPBA ηCO ηCO st.dev 45.7 2.9 47.2 0.7 48.1 2.4 48.6 2.1 PV bosh PV bosh st.dev. 6.6 0.25 6.7 0.17 6.7 0.81 6.7 0.66 BDR st.dev. 0.93 0.68 Gas utilization Resistance to gas flow Burden descent rate ηCO PV Bosh BDR CO2/(CO+CO2) (blast pr.2-Top pr.2)/(Bosh gas vol.)1.7 · const. cm/min La Revue de Métallurgie-CIT Avril 2002 Welcome Publications HAUT-FOURNEAU ■ PELLETS AND LUMP ORE In many instances there are not necessarily any immediately visible changes despite large changes in burden mix. An example, the change in burden resistance PV-bosh with the introduction of a 24 % goethitic lump ore into a 100 % pellet burden, is shown in figure 5. The trial consisted of a change from 100 % LKAB olivine pellets to lump ore (c. 24 %) mixed with a commercial fluxed pellet (c. 23 %) and the balance being LKAB olivine, acid or experimental fluxed pellets. Despite of large differences in properties between 100 % pellet operation and the mixtures of pellets and lump ore, the furnace did not show a drastic change in resistance to gas flow. Fig. 7 – Reduction degree of pellets and lump ore taken from the upper and the lower shaft probes. Fig. 7 – Degré de réduction des boulettes et du minerai criblé provenant des sondes de la partie supérieure et inférieure de la cuve. However, this grade of goethitic lump ore has shown to have a pronounced effect on the blast furnace that can be related to reducibility. Figure 6 shows the change in gas utilization with the introduction of lump ore into the burden. Analyses of shaft probe samples showed correspondingly that the reduction degree of lump ore was substantially lower than that of pellets (fig. 7). The total fuel rate increased by over 20 kg/t of hot metal due to the addition of 24 % lump ore. Fig. 5 – Resistance to gas flow with the introduction of 24 % lump ore into a 100 % pellet burden. Fig. 5 – Évolution de la perméabilité au gaz suite à l’introduction de 24 % de minerai criblé dans une charge à 100 % de boulettes. Further investigation is necessary to determine the effects on the relationships between hot metal silicon content and PV-bosh, gas utilization or top gas temperature, for example. ■ RELIABILITY OF LABORATORY TESTS A common laboratory scale test for evaluating the physical condition of pellets during high temperature reduction is swelling, but is the test result always reliable ? A certain experimental pellet showed extreme swelling and cracking after reduction in a blast furnace shaft, a phenomenon not seen in the standard laboratory swelling test ISO 4698. Fig. 6 – Gas utilization with the introduction of 24 % lump ore into a 100 % pellet burden. Fig. 6 – Taux d’utilisation des gaz suite à l’introduction de 24 % de minerai criblé dans une charge à 100 % de boulettes. La Revue de Métallurgie-CIT Avril 2002 The behaviour of this experimental pellet type in the experimental blast furnace is shown in figure 8. The furnace went through cycles of rapid reduction, high ηCO peaks, followed by poor distribution and bruden descent. Once the burden slipped, rapid charging occurred, followed by rapid reduction and swelling and so on. 315 Welcome Publications The know-how accumulated, and accumulating will contribute to the development of blast furnace burden materials, burden combinations, operational concepts and equipments. 52 ■ REFERENCES 50 48 (1) HOOEY (L.), STERNELAND (J.), HALLIN (M.) – Evaluation of high temperature properties of blast furnace burden. 1st International meeting on “Ironmaking”, Belo Horizonte, Brazil (September 24-26, 2001). (2) HOOEY (L.), STERNELAND (J.), HALLIN (M.) – Evaluation of operational data from the LKAB experimental blast furnace. Iron & Steel Society’s 60th Ironmaking Conference, Baltimore, USA (March 25-28, 2001). (3) DAHLSTEDT (A.), HALLIN (M.), WIKSTRÖM (J.-O.) – Effect of raw material on blast furnace performance : the use of an experimental blast furnace. 4th European Coke and Ironmaking Congress Proceedings (2000), vol. 1, p. 138-145. (4) TRANELL (G.), HAGELIEN (T.), KOLBEINSEN (L.), DAHLSTEDT (A.), HALLIN (M.) – Results and visualization from the first campaign in LKAB’s experimental blast furnace in Luleå, Sweden. Iron & Steel Society’s 59th Ironmaking, Pittsburgh, USA (March 26-29, 2000). (5) DAHLSTEDT (A.), HALLIN (M.), TOTTIE (M.) – LKAB’s experimental blast furnace for evaluation of iron ore products. Proceedings of Scanmet 1 (1999), p. 235-245. 46 44 42 40 0 10 20 Time (hours) 30 40 Fig. 8 – Gas utilization with a certain experimental pellet showing extreme swelling and cracking after reduction in the blast furnace shaft (but not in the standard laboratory swelling test). Fig. 8 – Taux d’utilisation des gaz avec un certain type expérimental de boulette présentant un gonflement et de nombreuses fissures après réduction dans le haut-fourneau (ce qui n’est pas le cas avec le test de gonflement standard en laboratoire). 52 50 48 46 44 42 40 0 5 10 15 20 Time (hours) 25 30 35 Fig. 9 – Gas utilization with LKAB MPBO olivine pellets. Fig. 9 – Taux d’utilisation des gaz avec des boulettes MPBO (pellets olivine - LKAB). MPBO pellets behaved normally both in the swelling test and in the experimental blast furnace (fig. 9). On the other hand, a small amount of sulphur added to the gas in the swelling test did cause the catastrophic swelling behaviour to the above mentioned experimental pellet. However sulphur compounds, as well as other potentially important trace components, are not included in the standard swelling test, or any standard tests, thus severely limiting the tests’ reliabilities. ■ CONCLUSIONS - FUTURE PROSPECTS The LKAB experimental blast furnace has proved to be a realistic evaluation tool to simulate the complex nature of a commercial blast furnace operation. 316 La Revue de Métallurgie-CIT Avril 2002