LKAB´s Experimental blast furnace and pellet development

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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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).
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46
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42
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0
5
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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.
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