Green Ironmaking - Carburization of Green Direct Reduced Iron (DRI)

Abstract

Dagens mest vanlige måte å lage jern fra jernmalm på er ved bruk av masovn, som produserer en stor mengde CO2-utslipp hvert år. Et grønnere alternativ til masovn er Direkte Reduksjon av Jern (DRI), som bruker reduksjonsgasser, som H2 og CO, til å fjerne oksyget fra jernmalmen, som gjør jernet egnet for stålpro duksjon. Utslippene til DRI-prosessen er mye lavere enn ved bruk av masovn, med en mengde på kun 42 % til 5 % av CO2 utslippet til masovnprosessen.

Dette arbeidet hadde som mål å finne optimal temperatur for reduksjon av jernmalm-pellets i en blanding av 50% H2 og 50% Ar ved varierende temperaturer (570 °C, 670 °C og 770 °C). I tillegg ble de reduserte jermmalm-pelletsene også karburisert i en atmosfære bestående av CH4-gass. Reduksjons- og karburiseringsprosessen ble utført i en høy-temperatur vakuumovn i temperaturintervallet 25 °C - 770 °C, og prosessene ble også simulert ved bruk av programvaren HSC Chemistry 9 fra Metso Outotec.

Forsøkene gjort på høy-temperatur vakuumovnen resulterte i jernmalm-pellets som viste mer porøsitet, en indikasjon på at reduksjonsprosessen hadde startet. De fleste prøvene viste også en nedgang i oksygenkonsentrasjon, bortsett fra pelleten redusert ved 770 °C, noe som kan være på grunn av reoskidering av overflaten til pelleten før analyse. Pelletene karburert ved 670 °C og 770 °C viste en fullstendig karburisering, men prøven karburert ved 570 °C viste et tydelig skille mellom to lag som hadde og hadde ikke blitt karburert. Det ble konkludert at denne temperaturen var for lav for å oppnå en fullstendig karburisering.

Prosessimuleringene gjort i HSC Chemistry 9 viste en fullstendig reduksjon og karburisering av en gjennomsnittlig pellet med de gitte parameterne. Siden pro gramvaren antar likevekt ved hvert trinn, og siden alle pellets er, til en viss grad, inhomogene, er det bare indikasjoner på hva som kan forventes som oppnås. I lys av dette viste det seg at simulasjonsresultatene stemte godt overens med de overordnede resultatene fra det eksperimentelle arbeidet.

Nøkkelord: Jernmalm, Jernlaging, Direkte Reduksjon av Jern (DRI), Masovn, Karburisering, HSC Chemistry 9.

Current commercial means of ironmaking rely heavily on using the Blast Furnace (BF) technology, which produces a lot of CO2 emissions every year with coke as one of the raw materials together with the iron ore. A greener alternative to the BF process is the Direct Reduction of Iron (DRI) process, which uses reductive gases, such as H2 and CO, to remove the oxygen from the iron ore, making it suitable for steel production. The emissions from the DRI process are dramatically lower than the BF process, ranging from about 42 % to 5 % of the CO2 emissions produced by the BF/BOF process.

The present work aimed to investigate the optimum temperature for reducing iron ore pellets by a mixture of 50% H2 gas and 50% Ar gas at varying temperatures (570 °C, 670 °C and 770 °C). Furthermore, the reduced iron ore pellets were also to be carburised in an atmosphere of CH4 gas. The reduction and carburisation processes were performed in a high-temperature vacuum furnace in the temperature interval 25 °C - 770 °C, and the processes were also simulated using the HSC Chemistry 9 software from Metso Outotec.

The experiments performed in the high-temperature vacuum furnace resulted in iron ore pellets that showed increased porosity, indicating that the reduction pro cess had been initiated. Most of the reduced pellets also revealed a decrease in oxygen concentration at the surface, except the pellets reduced at 770 °C, which might be due to re-oxidation of the pellet surface before analysis. The pellets carburised at 670 °C and 770 °C showed complete carburisation, but the sample carburised at 570 °C showed a clear difference between two layers that had and had not been carburised. It was concluded that this temperature was too low for obtaining successful carburisation.

The process simulations using HSC Chemistry 9 showed a complete reduction and carburisation of an average iron ore pellet with the given parameters. As the software assumes equilibrium at every step, as well as the fact that all pellet contains a certain level of inhomogeneity, only indications of what to expect can be obtained. In view of this, the simulation results proved to be in good agreement with the overall outcome of the experimental work.

Keywords: Iron ore, Ironmaking, Direct Reduction of Iron (DRI), Blast Furnace, Carburisation, HSC Chemistry 9