Dumpling (industria dell'acciaio)

Nell'industria siderurgica , il pellet (chiamato anche pellet ) è un condizionamento del minerale di ferro prodotto dalle miniere, per l'uso diretto negli altiforni o negli impianti di riduzione diretta .

I pellet si presentano sotto forma di sfere da 8 a 18  mm di diametro. La loro fabbricazione combina processi chimici e termici per arricchire il minerale di ferro fino al 67% -72% di ferro e conferirgli le caratteristiche chimiche e meccaniche desiderate.

Storia

Packaging pellettizzazione di minerale di ferro in polvere è stato prodotto alla fine del XIX °  secolo. Ma il legante è poi costituito da catrame (1% in peso), la cui cottura in un tamburo rotante consente sia l'ottenimento di pellet idonei per l'altoforno sia l'eliminazione di elementi indesiderabili, quali zolfo e arsenico , che sono portato via dai fumi.

L'agglomerazione del pellet mediante sinterizzazione avviene contemporaneamente all'agglomerazione della griglia . Viene quindi proposto come alternativa per il trattamento di prodotti molto fini che interferiscono con questi ultimi. L'agglomerato di pellet compare in Svezia (brevetto del 1912 di A. Anderson), poi in Germania (1913). Il nuovo prodotto si chiama quindi “GEROELL” (da laminazione ). Ha la proprietà di ridurre più velocemente dei minerali dimensionati e agglomerato dallo stesso materiale. Un pilota industriale fu costruito da Krupp a Rheinhausen nel 1926; ma viene smantellato per far posto a una grande linea di agglomerazione della rete, il suo processo concorrente.

Tuttavia, l'agglomerazione nei pellet non scompare. È fondamentale negli Stati Uniti per il trattamento dei fini concentrati del giacimento Mesabi Range , prodotto durante la seconda guerra mondiale, sostituire i minerali naturalmente ricchi con oltre il 50% di ferro, in via di esaurimento. L'agglomerazione in pellet di questi nuovi minerali di magnetite finissima (85% <44  mm ) ha conosciuto un intenso sviluppo intorno al 1943 sotto la guida dell'Università del Minnesota . Il processo tornerà un po 'più tardi in Europa, e più in particolare in Svezia, come condizionamento prima della produzione di minerale di ferro pre-ridotto .

Nonostante lo spettacolare sviluppo dagli anni '60 agli anni '80, la produzione di pellet si è stabilizzata intorno ai 300  Mt all'anno. Elenchiamo infatti le produzioni:

• 189 Mt nel 1984 (suddivisi in 90  Mt in Nord America, 63  Mt in URSS e 36  Mt nel resto del mondo dalle compagnie minerarie);
• 264 Mt nel 1992;
• 313 Mt nel 2008;
• 215 Mt nel 2009 (a causa della crisi economica );
• 388 Mt nel 2010.

Produzione

A differenza dell'agglomerato, che generalmente viene prodotto ai piedi degli altiforni, mescolando minerali di ferro di varia origine, il pellet viene prodotto nel luogo di estrazione e commercializzato dalle società minerarie . Il pellet infatti resiste agli urti dovuti alla maneggevolezza meglio del truciolare, che è abbastanza fragile . Poiché la produzione del pellet è effettuata dalle miniere, il processo differisce notevolmente a seconda delle caratteristiche del minerale di ferro locale (ad esempio: alcune fabbriche sono dotate di un'unità che rimuove l' arsenico presente nel minerale). Le tappe principali, tuttavia, si trovano ovunque.

Il minerale viene prima macinato finemente per poter estrarre il massimo della ganga sterile del minerale di ferro. Le fasi di arricchimento dipendono dalla natura del minerale. La macinatura può essere eseguita in più fasi, a secco o con acqua. L'arricchimento viene effettuato mediante separazione magnetica e flottazione .

Il concentrato di minerale viene quindi eventualmente miscelato con additivi ( dolomite , olivina , quarzite ,  ecc. ) Per ottenere la composizione chimica desiderata. In questo caso, questi elementi corrispondono tipicamente dal 3 al 3,5% del peso del pellet. Un altro additivo, generalmente la bentonite umida (si può aggiungere farina di mais a questa argilla , oppure utilizzare poliacrilammide ) permette di garantire la coesione del materiale al momento della fase di pellettizzazione.

Il concentrato di minerale viene quindi compattato sotto forma di pellet. Sebbene possano essere realizzati in diversi tipi di tamburi per mixer, gli strumenti più frequentemente riscontrati sono i piattini. All'uscita dal piattino, prima della loro sinterizzazione mediante cottura, le palline vengono chiamate palline “verdi” o “crude”. La loro dimensione delle particelle è spesso compresa tra 5 e 20  mm .

Possono quindi essere diretti:

• direttamente all'impianto di consumo; ma la loro fragilità, nonostante il legante utilizzato, le rende piuttosto friabili;
• sia ad un forno da cuocere; poi diventano gnocchi cotti. Passano, alla fine del viaggio, al raffreddamento.

La cottura può essere eseguita su una catena che passa attraverso forni adiacenti e riscaldata fino a 1200  ° C (processo a griglia diritta se c'è un'unica catena dritta, forno a griglia quando la catena si apre su un piatto di raffreddamento rotante). Il calore è fornito dai bruciatori, da un'aggiunta di combustibile nel concentrato di minerale o, in alcuni minerali particolari, dall'ossidazione del minerale.

Interessi e limitazioni

Interessi

La preparazione del minerale in pellet migliora le prestazioni degli altiforni e degli impianti di riduzione diretta. Rispetto a un minerale di ferro grezzo, si notano i seguenti interessi:

• la materia prima resiste meglio alla movimentazione, anche in ambiente umido, e non intasa le tramogge di stoccaggio;
• la composizione dei pellet è nota ed omogenea, il che semplifica lo svolgimento dei processi che li trasformano in ferro;
• la porosità del pellet favorisce reazioni chimiche, di tipo gas - solido, in forno. Viene preservata la resistenza meccanica a caldo, compresa la reattività chimica, anche nelle zone più calde del forno;
• overoxidize ossidi di ferro , Fe 2 O 3essendo meglio ridotto dal monossido di carbonio presente nell'altoforno rispetto ai composti meno ossidati, in particolare Fe 3 O 4.

Rispetto al minerale sinterizzato , i pellet hanno il vantaggio di un contenuto di ferro più elevato, che aiuta ad aumentare la produttività dell'impianto e ridurre il consumo di carburante. Sono anche molto meno fragili e resistono bene a manipolazioni ripetute. Il loro prezzo un po 'più alto (il pellet costa, in media, il 70% in più del minerale grezzo) corrispondente al loro valore d'uso , l' industria siderurgica li mescola con l'agglomerato in proporzioni molto variabili.

Come per l'agglomerato, la fase di tostatura e sinterizzazione ad alta temperatura consente l'eliminazione di elementi indesiderati, tra cui in particolare lo zolfo. È anche un modo per sbarazzarsi dello zinco , elemento che "avvelena" gli altiforni, perché la sua temperatura di vaporizzazione, di 907  ° C , corrisponde a quella di una tostatura ben condotta.

Limitazioni

Una notevole limitazione dei pellet è la loro sensibilità all'azione dannosa dello zolfo durante la riduzione. Anche piccole proporzioni di anidride solforosa (SO 2), da 5 a 50  ppm nel gas di riduzione, disturbano il funzionamento di un altoforno alimentato a pellet. Il meccanismo, abbastanza complesso, è stato incluso alla fine del XX °  secolo:

• lo zolfo inizia accelerando l'estrazione dell'ossigeno, ma non appena compare il primo ferro metallico, il processo si inverte e l'estrazione dell'ossigeno viene sostanzialmente rallentata. La causa di questa strana reazione è la fortissima affinità dello zolfo con il ferro metallico creato sulla superficie del pellet, che impedisce la penetrazione del carbonio;
• tuttavia, la reazione della wustite (FeO) con il monossido di carbonio (CO) non avviene generalmente solo sulla superficie del FeO, ma anche sotto la superficie del ferro già ridotto. A causa del migliore comportamento di assorbimento del ferro, è qui che passa gran parte del trasporto di gas e dove si trova il confine di fase ferro / ossido di ferro. Ma questo accade solo quando il ferro può assorbire sufficientemente il carbonio (carburazione). Quando l'assorbimento del carbonio è bloccato dallo zolfo, la riduzione può avvenire solo sulla superficie dell'ossido di ferro;
• poiché la cristallizzazione del ferro può avvenire solo nella direzione dell'ossido di ferro che viene ridotto, si arriva ad una configurazione allungata e fibrosa dei cristalli di ferro. La struttura dei granuli, già distesa dalla prima fase di riduzione, viene rinforzata e il volume dei granuli può aumentare fino a due o tre volte il suo valore iniziale.

Il contemporaneo aumento esagerato del volume dei granuli ("rigonfiamento") può bloccare o addirittura danneggiare gravemente l'altoforno.

Composizione

Come l'agglomerato, i pellet sono generalmente classificati a seconda che siano acidi o basici. L' indice di basicità i c è calcolato dal seguente rapporto di concentrazioni di massa  :

iovs=[VSaO]+[MgO][SioO2]+[Al2O3]{\ displaystyle i_ {c} = {\ frac {[CaO] + [MgO]} {[SiO_ {2}] + [Al_ {2} O_ {3}]}}}.

Spesso semplifichiamo semplicemente calcolando un indice di basicità semplificato i , uguale al rapporto CaO / SiO 2. I pellet con indice i inferiore a 1 sono detti “acidi”, maggiore di 1, sono generalmente detti “basici”, pari a 1 sono qualificati come “autofondenti”.

Le pastiglie possono essere ricche di ematite , ma la proporzione di ematite dovrebbe essere mantenuta limitata, altrimenti la struttura del pellet si allenterà troppo durante la riduzione e le pastiglie alla fine collasseranno in polvere concentrata sotto il peso delle cariche impilate.

Gnocchi acidi

I pellet acidi si ottengono generalmente quando non vengono aggiunti additivi. Una composizione chimica specifica di questo tipo di pellet è SiO 2= 2,2% e CaO = 0,2%. Negli anni '90, negli Stati Uniti, il tipico pellet acido aveva le seguenti caratteristiche:

• Fe = 66%; SiO 2= 4,8%; MgO = 0,2%; CaO / SiO 2 = 0,04;
• resistenza alla compressione = 250 kg;
• Riducibilità ISO = 1.0;
• gonfiore = 16%;
• punto di rammollimento = 1290  ° C , differenza tra temperatura di rammollimento e temperatura di fusione: 230  ° C .

È comune trovare pellet la cui acidità è stata aggravata dalla presenza di vari silicati dal legante richiesto per la pellettizzazione. Ma a differenza dei minerali agglomerati, i pellet possono avere una composizione acida, perché a causa della loro forma sferica solida, la tendenza a disintegrarsi e indebolire le proprietà meccaniche è inferiore.

I pellet acidi hanno una buona resistenza meccanica, con una resistenza allo schiacciamento superiore a 250  kg / pellet . La loro riducibilità è tuttavia piuttosto negativa. Inoltre, possono gonfiarsi in presenza di calce , tipicamente per i = CaO / SiO 2> 0,25 , fenomeno suscettibile di deteriorare un altoforno.

Polpette autoapprofondenti

L'uso di gnocchi auto-approfonditi, o di base, si è sviluppato negli anni '90 negli Stati Uniti. Si tratta di pellet a base di un concentrato di minerale di ferro a cui sono state aggiunte calce e magnesia . Negli Stati Uniti il ​​tipico gnocco autofondente ha le seguenti caratteristiche:

• Fe = 63%; SiO 2= 4,2%; MgO = 1,6%; CaO / SiO 2 = 1,10;
• resistenza alla compressione = 240 kg;
• Riducibilità ISO = 1.2;
• gonfiore = 15%;
• punto di rammollimento = 1440  ° C , differenza tra temperatura di rammollimento e temperatura di fusione: 80  ° C .

Resistenti alla compressione (circa 240  kg / pellet ) e facili da ridurre, questi pellet ben si adattano al funzionamento di un altoforno. Tuttavia, l'aggiunta di calcare al concentrato di minerale riduce la produttività dell'impianto di pellettizzazione perché la loro calcinazione provoca la carbonatazione , che è endotermica . La produttività dell'impianto è quindi dal 10 al 15% inferiore rispetto alla produzione di pellet acidi.

Pellet a basso contenuto di silice

Questo tipo di gnocco è destinato principalmente all'alimentazione di piante di riduzione diretta. Una composizione tipica sarebbe: Fe = 67,8%; SiO 2= 1,7%; Al 2 O 3= 0,40%; CaO = 0,50%; MgO = 0,30%; P = 0,01%.

Naturalmente ci sono pellet a bassa silice autofondente, quando questi sono drogati con calce. Una composizione tipica sarebbe: Fe = 65,1%; SiO 2= 2,5%; Al 2 O 3= 0,45%; CaO = 2,25%; MgO = 1,50%; P = 0,01%.

Altri tipi di gnocchi

Per soddisfare esigenze specifiche, i produttori hanno sviluppato altri tipi di gnocchi. Noteremo in particolare:

• pellet autoregolanti: costituiti da minerale di ferro e carbone;
• sfere di magnesia: con l'aggiunta di olivina o serpentino , per raggiungere un contenuto di magnesia intorno all'1,5%. La loro resistenza allo schiacciamento a freddo è scarsa (circa 180  kg / pellet ).

Note e riferimenti

Appunti

1. Storicamente, la tostatura delle piriti , residui della produzione di acido solforico , aveva il solo scopo di rimuovere lo zolfo e lo zinco. In effetti, questi contengono dal 60 al 65% di ferro e meno dello 0,01% di fosforo, ma fino al 6% di zolfo e il 12% di zinco.

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Vedi anche

Articolo correlato

• Agglomerato (industria dell'acciaio)

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