Luchtontbindingsinstallatie voor toepassingen in de staalindustrie

Waarom geïntegreerde staalfabrieken vertrouwen op op locatie geïnstalleerde installaties Luchtscheidingseenheden

Operationele vraagfactoren: behoefte aan grote hoeveelheden zuurstof, stikstof en argon met hoge zuiverheid

Staalbedrijven hebben enorme hoeveelheden industriële gassen nodig die moeten voldoen aan zeer strenge zuiverheidseisen. Neem bijvoorbeeld een grote hoogoven: deze kan meer dan 300 ton zuurstof per uur verwerken. De Basic Oxygen Furnace-methode vereist zuurstof met een zuiverheid van ten minste 99,5% om goede verbrandingsresultaten te behalen en de slak correct te beheersen. Voor continu-gietprocessen is argon met een zuiverheid van meer dan 99,999% vereist bij stikstofspoelingen. Dit helpt oxidatiegebreken in de staalplaten te voorkomen. Gezien deze enorme volumebehoeften en strikte specificaties is het praktisch gezien onhaalbaar om al dit gas in bulk te leveren. Daarom installeren de meeste installaties ter plaatse. luchtscheidingseenheden (ASU’s). Deze systemen geven installatieoperators onmiddellijke controle over de hoeveelheid gas die ze produceren, de druk waartegen het wordt geproduceerd en, wat het belangrijkst is, de zuiverheid ervan. Deze flexibiliteit stelt hen in staat om hun gasbehoeften exact af te stemmen op wat de productielijn dagelijks vereist.

Economische en betrouwbaarheidsvoordelen van cryogene ASU’s ten opzichte van bulkgaslevering

Krio-geen luchtscheidingseenheden bieden aanzienlijke langetermijnvoordelen in vergelijking met het inkopen van gassen bij externe leveranciers. Wanneer bedrijven gassen ter plaatse produceren, vervallen alle extra kosten die verband houden met het vervoer van krio-geen materialen, en er is ook geen behoefte meer aan speciale behandeling of opslagfaciliteiten. En eerlijk gezegd wil niemand dat zijn bedrijfsprocessen gegijzeld worden door problemen in de toeleveringsketen. Installaties die dagelijks meer dan 2.000 ton zuurstof nodig hebben, constateren meestal dat een investering in een krio-geen luchtscheidingseenheid zich zeer goed rendeert. Onderzoeken wijzen uit dat deze installaties gedurende tien jaar tot 40–60 procent kunnen besparen op gasuitgaven ten opzichte van bulkleveringen. Sommige nieuwere systemen herwinnen zelfs energie via methoden zoals warmterecuperatie tijdens compressieprocessen, waardoor het totale stroomverbruik met ongeveer 15% wordt verminderd. Maar wat echt het belangrijkst is, is een betrouwbare gasvoorziening precies waar die nodig is. Installaties die op deze manier geïntegreerd zijn, voorkomen catastrofale afsluitingen van hoogovens, die per uur dat ze buiten werking zijn miljoenen euro’s kunnen kosten.

Kerntoepassingen van luchtscheidingsinstallaties in de staalproductie

Zuurstofverrijking in hoogovens: verhoging van de productiviteit en vermindering van het cokesverbruik

De huidige hoogovens blazen doorgaans lucht in die verrijkt is met zuurstof met een concentratie van ongeveer 25 tot 30 procent O₂, waardoor de cokesverbranding binnen de oven aanzienlijk toeneemt. Het gevolg? De productie van ruijzer stijgt met 15 tot 25 procent, maar tegelijkertijd is er ongeveer 200 tot 300 kilogram minder cokes nodig per geproduceerde ton. Dit betekent lagere bedrijfskosten voor de oven en minder koolstofdioxide-uitstoot per geproduceerde ton ijzer. Wanneer bedrijven hun eigen luchtscheidingsinstallaties ter plaatse installeren, krijgen ze betere controle over dit zuurstofverrijkingsproces. Deze systemen zorgen ervoor dat de intense vlammen stabiel blijven branden boven de 2200 graden Celsius, zonder problemen door temperatuurschommelingen. Een betere temperatuurregeling leidt tot een soepeler stromende slak en minder slijtage aan de ovengestelmaterialen. Sector-experts van organisaties zoals het American Iron and Steel Institute hebben deze voordelen opgemerkt in hun operationele richtlijnen, wat verklaart waarom veel staalproducenten deze overstap maken.

Zuurstofblazen in een Basic Oxygen Furnace (BOF): nauwkeurige regeling met een zuiverheid van 99,5%

Het BOF-staalproductieproces vereist zeer zuivere zuurstof, meestal boven de 99,5%, om consistente en effectieve decarburisatie te bereiken. Kleine hoeveelheden verontreinigingen zoals stikstof of vocht kunnen onvoorspelbare oxidatiereacties veroorzaken die daadwerkelijk de opbrengst verlagen en de oppervlakkwaliteit negatief beïnvloeden. Cryogene luchtscheidingseenheden leveren deze zuivere zuurstof bij een druk van ongeveer 12 tot 15 bar via speciaal ontworpen lansjes. Deze lansjes stellen operators in staat het blaaspatroon en de positionering met veel grotere nauwkeurigheid te regelen. De verbeterde precisie vermindert onbedoelde ijzeroxidatieverliezen met ongeveer 3 tot 5 procent ten opzichte van het gebruik van zuurstof met lagere zuiverheid. Dit is van groot belang bij de productie van staalsoorten die voldoen aan strenge chemische eisen voor toepassingen zoals auto-onderdelen en pijpleidingsmaterialen, waarbij consistentie absoluut cruciaal is.

Argon voor continu gieten en secundaire metallurgie: inclusiecontrole via ultra-hoogzuiver (99,999 %) gas

Voor ladle-metallurgie en continu gietprocessen is ultrazuiver argon met een zuiverheidsgraad van meer dan 99,999% onmisbaar. Het injecteren van dit gas in gesmolten staal helpt ongewenste waterstof- en stikstofgehalten te verwijderen. Tegelijkertijd drijft het lastige niet-metalen insluitsels, zoals aluminiumoxide en silicaten, omhoog, waar ze worden opgevangen in de slaklaag. Ook de cijfers zijn van belang: het totale onzuiverheidsgehalte onder de 10 parts per million (ppm) maakt alle verschil. Zelfs minimale hoeveelheden stikstof kunnen leiden tot vervelende onderoppervlakteblaasjes in zowel roestvast als elektrisch kwaliteitsstaal. Fabrieken die overschakelen naar argon dat wordt geproduceerd door luchtscheidingseenheden, zien spectaculaire verbeteringen. Sommige installaties melden een vermindering van afkeuringen door insluitsels met meer dan 40% bij hun afgewerkte platen en staafproducten. Deze resultaten komen overeen met de bevindingen van het International Iron and Steel Institute in hun recente kwaliteitsbenchmarkonderzoek van 2023.

Uitdagingen op het gebied van energie-efficiëntie en systeemintegratie voor luchtscheidingseenheden in staalfabrieken

Belangrijkste bronnen van energieverlies: exergieverlies in de hoofdluchtcompressor en kansen voor warmterecuperatie

Luchtontbindingsinstallaties, veelal ASU’s genoemd, ondervinden energie-efficiëntieproblemen wanneer ze in staalfabrieken zijn geïntegreerd. Een groot deel van het probleem ligt in de fundamentele werking van deze systemen, waarbij bepaalde onderdelen door onvermijdelijke thermodynamische verliezen efficiëntie verliezen. Neem bijvoorbeeld de hoofdluchtcompressor: deze verbruikt ongeveer 40% van alle elektriciteit die door een ASU wordt gebruikt. Bij nadere beschouwing blijkt dat een groot deel van deze verspilde energie voortkomt uit het compressieproces zelf, waarbij waardevolle energie verloren gaat als warmte. Wat daarna gebeurt, is eveneens vrij verspilling. Het systeem genereert afvalwarmte met een hoge temperatuur tussen 150 en 300 graden Celsius, maar de meeste installaties laten deze gewoon onbenut ontsnappen naar de atmosfeer. Sommige slimme bedrijven installeren nu warmterecuperatieoplossingen, zoals organische Rankine-cycli of de productie van stoom met lage druk uit deze afvalwarmte. Deze aanpakken kunnen inderdaad ongeveer twee derde van de verloren thermische energie over de gehele fabriek terugwinnen. Dit maakt zuurstofproductie niet alleen ongeveer 20% minder energie-intensief, maar vermindert ook de vereiste hoeveelheid koelwater aanzienlijk. Toch blijft het een uitdaging om deze systemen correct te laten functioneren. De regelsystemen vereisen zorgvuldige coördinatie, zodat de ASU zijn productie kan aanpassen aan de wisselende eisen van het staalproductieproces. Met name tijdens die lastige perioden waarin hoogovens van campagne wisselen of gietmachines worden gewisseld, kunnen zelfs kleine drukschommelingen de gehele productierun verstoren.

Veelgestelde vragen

Waarom hebben staalfabrieken extreem zuivere gassen nodig?

Staalfabrieken hebben zuivere gassen nodig voor precisie en kwaliteitscontrole tijdens de productie. Zeer zuurstof, stikstof en argon zorgen voor een optimale verbranding, effectief slakbeheer en voorkomen oxidatiegebreken in staalplaten.

Welke voordelen bieden cryogene luchtontbindingsinstallaties (ASU’s) ten opzichte van bulkgaslevering?

Cryogene ASU’s bieden betrouwbaarheid en kostenbesparingen. Installaties besparen op transport- en opslagkosten en vermijden onderbrekingen in de toeleveringsketen. ASU’s leveren ook energiebesparingen en consistente, zeer zuivere gassen.

Hoe verbetert argon het continu-gietproces?

Uiterst zuiver argon vermindert onzuiverheden en niet-metalen insluitsels in gesmolten staal, duwt deze insluitsels naar de slaklaag en draagt bij aan het behoud van de staalkwaliteit. Dit verlaagt het afkeurpercentage en verbetert de consistentie van de productie.

Welke uitdagingen op het gebied van energie-efficiëntie staan ASU’s tegenover?

Luchtscheidingseenheden staan voor energie-efficiëntie-uitdagingen als gevolg van thermodynamische verliezen, met name in de hoofdluchtcompressor. Oplossingen voor warmterecuperatie worden gebruikt om energieverlies te beperken en de algehele installatie-efficiëntie te verbeteren.