Study of properties of hydrogen-reduced DRI related to steelmaking

Abstract

I denna avhandling undersöks fysiska, mekaniska och smältegenskaper hos vätgasreducerade järnmalmspellets (H-DRI, Hydrogen Direct Reduced Iron) och hur dessa relaterar till både förhållanden vid reduktion och ståltillverkningsprocessen. Industriella pilotförsök och labbskaliga experiment kombinerades. Reduktion med CO-innehållande gas och resulterande naturgasreducerade järnmalmspellets (NG-DRI, Natural Gas Direct Reduced Iron) studerades som referenser. Egenskaperna av H-DRI är av stort intresse då vätgasreduktion är ett alternativ till masugnsprocessen som stod för 7-8% av globala CO2 utsläpp under 2025.  Som ett första steg studeras NG-DRI och H-DRI från ett industriellt pilotschakt med avseende på kol och cementithalt, uppskattad porositet, sprickor, tumligsstyrka, och tryckhållfasthet. Resultaten visade på att tumlingsstyrka och tryckhållfashet minskade med ökande kolhalt. Det kolfria H-DRI provet producerade 90% mindre finkornigt material och hade nästan dubbelt så högt tryckhållfasthet i jämförelse med NG-DRI provet med den högsta kolhalten på 3 wt%. Cementit identifierades i högsta koncentrationer nära ytan på pellets för de kolinnehållande proverna.   För att öka förståelsen för H-DRI utfördes fullständig reduktion med vätgas i labbskala med varierande temperatur och tidsförhållanden. En temperaturökning mellan 1.5 and 10 °C/min applicerades för att nå maximitemperaturer mellan 700 och 1000 °C. Vid maximitemperaturen hölls provet mellan 0 och 360 min. Volymförändring, uppskattad porositet, ytsprickor, tumlingsstyrka, tryckhållfasthet och mikrostruktur vid tvärsnittet på pellets undersöktes efter reduktionen. Maximitemperatur hade mest signifikant påverkan på provets fysiska och mekaniska egenskaper. Prov som reducerats totalt 5 timmar till 1000 °C respektive 700 °C producerade 9% lägre finkornigt material efter 4 timmars tumlingstester, hade 3% lägre uppskattad porositet och 13% färre pellets med synliga ytsprickor. Snabbare temperaturökning samt längre hålltid vid maximitemperaturen hade också en positiv påverkan på fysiska och mekaniska egenskaper. Ytterligare studier behövs för att förstå förhållanden i den industriella reaktorn, till exempel påverkan av vattenhalt i reduktionsgasen och tryck på pelletsbädden.  För att förstå hur kol och cementit bildas vid reduktion gjordes isoterma reduktionsexperiment med CO+H2 gasblandning vid 700 eller 900 °C, en tid mellan 1 och 5 timmar och ett flöde på 2 eller 4 nL/min. Analys av kol och 

syreinnehåll samt kvantifiering av cementit vid pelletsens tvärsnitt gjordes för pellets placerade längs bäddens vertikala axel. Metalliseringsgrad, totalt kolinnehåll och cementitmängd var högst vid botten och lägst vid toppen av pelletsbädden för alla experiment. Cementitmängd varierade även inom individuella pellets, där högst koncentration återfanns nära ytan på pellets.  Smältning av H-DRI och NG-DRI undersöktes i en pilotskalig ljusbågsugn. Utvalda resultat från en större testplan inkluderas i avhandlingen med fokus på smältningsförloppet för högmetalliserad H-DRI (99%), lågmetalliserad H-DRI (95%), och referens NG-DRI. Utförlig provtagning utfördes på slagg- och stålsammansättning, temperatur, samt vikter på ingående och utgående material. Hur bra slaggen skummade samt förekomsten av osmält material, s. k ferroberg, bedömdes visuellt. Att bibehålla en FeO halt i slaggen över 30 wt% verkade ha större positiv påverkan på smältningen än slaggens övriga egenskaper eller typen av DRI som smältes. Detta kan bero på att en stigande FeO halt i slaggen bidrar till lägre viskositet vilket förbättrar konvektiva värmeöverföringen i slaggen. Smältning undersöktes ytterligare genom labbexperiment där en H-DRI pellet sänktes ner i flytande smält slagg vars FeO, MgO och Al2O3 halter varierades. Smältningen avstannades efter 5, 10 eller 15 s genom att slaggen och den nedsänkta pelleten snabbt kyldes ner och stelnade. Provets tvärsnitt samt krossad och magnetseparerad slagg användes för att kvantifiera smältningen. Efter 15 s uppnåddes en smältning mellan 50 och 80%. Den sistnämnda uppnåddes för slaggen med teoretiskt högst värmeledning, i.e lägst FeO halt och högst Al2O3 halt. Detta stämmer inte överens med resultaten från pilotskaliga försöken, vilket visar på att konvektion verkar vara den dominerande värmeöverföringsmekanism i industriella förhållanden.   

Link to DiVA