Abstract Most of the iron in the world is produced using a blast furnace process, which has iron ore (iron oxides) and coke as its raw materials. When pellets are used in a blast furnace, the iron burden material is charged in the form of pellets and fine, iron-rich by-products are charged typically in the form of cold-bonded briquettes at the top of the blast furnace. Coke is the primary fuel and reductant in the blast furnace. Coke reacts with the oxygen of the blast air and forms carbon monoxide in the up-flowing gas, which reduces the descending iron oxide burden. In addition, carbon and hydrogen bearing reductants are injected from the tuyeres in the lower part of the furnace. Hydrogen partially replaces the carbon monoxide as a reducing agent and changes the composition of the reducing gas. The high temperature properties of the burden have a significant effect on the flow of reducing gas and formation of the cohesive zone which markedly affect the furnace efficiency. The raw materials are commonly stored outdoors and therefore include moisture in varying amounts. In addition, the briquette contains chemically bound water. The rate of injected reductants, the high temperature properties and the water content of the raw materials have significant effects on blast furnace performance. They cause various phenomena in the blast furnace which set limitations on the process. The limiting phenomena related to the use of pellets in the blast furnace were studied in this doctoral thesis with the aim of obtaining additional knowledge about the limiting phenomena. The results show that hydrogen increases the reduction rate of iron oxides at temperatures below 850 °C. High water vapour concentration causes a rapid conversion through a catalysed water-gas shift reaction at above 300 °C in a gas mixture similar to the one in the upper part of the blast furnace. The reduction rate of the cold-bonded briquette is higher than pellets due to a self-reducing effect. The phase transformations occurring in the briquette during reduction follow the path of phase equilibria. The softening of the pellet is caused by the formation of melt which initiates wüstite dissolution in the surrounding slag phase. / Tiivistelmä Suurin osa maailmassa valmistettavasta raudasta tuotetaan masuuniprosessilla, jonka pääraaka-aineita ovat rautarikaste eli raudan oksidit ja koksi. Masuunissa, jossa käytetään pellettiä, rautarikaste panostetaan pelletin muodossa ja hienojakeiset rautapitoiset sivutuotteet tyypillisesti kylmäsidottuna brikettinä masuunin huipulta. Koksi on masuunin pääasiallinen polttoaine ja pelkistin, joka masuunin sisään puhallettavan ilman hapen kanssa reagoidessaan muodostaa ylöspäin virtaavaan kaasuun hiilimonoksidia, joka pelkistää masuunin kuilussa vajoavat rautaoksidit. Lisäksi yleensä käytetään hiiltä ja vetyä sisältäviä pelkistysaineita, jotka injektoidaan masuuniin alaosan hormeilta. Vety korvaa osittain hiilimonoksidia rautaoksidien pelkistimenä ja muuttaa pelkistävän kaasun koostumusta. Panosmateriaalien korkealämpötilaominaisuudet vaikuttavat suuresti kuilun kaasuvirtauksiin ja koheesiovyöhykkeen muodostumiseen masuunissa, mitkä vaikuttavat merkittävästi masuunin tehokkuuteen. Suurista määristä johtuen raaka-aineet varastoidaan usein ulkona, joten ne sisältävät kosteutta vaihtelevissa määrin. Lisäksi briketti sisältää kemiallisesti sitoutunutta vettä. Injektoitavien pelkistysaineiden käyttömäärällä, raaka-aineiden korkealämpötilaominaisuuksilla ja vesipitoisuudella on merkittäviä vaikutuksia masuunin toimintaan. Ne aikaansaavat masuunissa erilaisia ilmiöitä, jotka asettavat prosessille rajoituksia. Tässä väitöskirjassa tutkittiin näitä masuunille rajoituksia asettavia ilmiöitä ja pyrittiin lisäämään tietämystä niistä. Tulokset osoittavat, että vety nopeuttaa rautaoksidien pelkistymistä alle 850 °C lämpötilassa. Suuri vesihöyrymäärä johtaa nopeaan konversioon masuunin yläkuilun aluetta vastaavassa kaasuseoksessa yli 300 °C lämpötilassa katalysoidun vesikaasun siirtoreaktion kautta. Kylmäsidottu briketti pelkistyy pellettiä nopeammin itsepelkistymisen vaikutuksesta. Briketin pelkistyessään läpikäymät faasitransformaatiot seuraavat faasien tasapainotiloja. Pelletin pehmenemisen aiheuttaa sulan muodostuminen, joka laukaisee wüstiitin liukenemisen sitä ympäröivään sulaan kuonafaasiin.

Abstract A blast furnace is the dominant process for making iron in the world. Iron ore pellets are commonly used as iron burden materials in a blast furnace, in which iron oxides are reduced to metallic molten iron. While descending, the charge faces various stresses, which affect the gas flows in the shaft and the energy efficiency of the process. Charge material testing on a laboratory scale is of crucial importance in regard to the development of material quality. This doctoral thesis presents a couple of advanced novel experimental methods: a novel camera imaging method to determine the amount of swelling during reduction; a novel reducibility test to determine the reducibility in a solid state under simulated blast furnace conditions; and a novel experimental program for the ARUL reduction-softening test to more accurately simulate blast furnace conditions. Swelling tests under conditions of fixed temperature and gas composition showed that isothermal tests do not give a realistic insight into the material behaviour in a blast furnace. As a result, it is suggested that dynamic gas composition – temperature programmes simulating actual process conditions should be used. Additionally, the test results showed that circulating elements (sulphur and potassium) also affect the pellet volume change during reduction, however no abnormal swelling was observed in any of the swelling experiments. The factors affecting the high-temperature properties of iron burden materials for blast furnace use were evaluated by both the experimental methods and computational thermodynamics. It was shown that none of the studied pellet grades has as good reduction-softening properties as the fluxed sinter because of the differences in the chemistry and macro-porosity. FeO-SiO2-CaO-MgO-Al2O3 system examinations with FactSage was found to be a useful tool for predicting the softening of an iron burden material using the original chemical composition. FactSage computations suggest that the softening properties of an iron burden material can be improved either by decreasing the proportion of SiO2, increasing the proportion of MgO or introducing an appropriate amount of CaO in relation to the proportion of SiO2. / Tiivistelmä Masuuni on merkittävin raakaraudan valmistusprosessi maailmassa. Masuunissa käytetään yleisesti rautamalmipellettejä rautapanosmateriaalina. Masuunissa raudanoksidit pelkistetään metalliseksi rautasulaksi. Vajotessaan panos kohtaa monenlaisia rasitteita, joilla on vaikutusta kuilun kaasuvirtauksiin ja masuuniprosessin energiatehokkuuteen. Panosmateriaalien testaus laboratoriomittakaavassa on merkittävässä roolissa, kun niiden laatua kehitetään. Väitöskirjassa esitetään useita kehittyneitä koemenetelmiä: uusi kamerakuvausmenetelmä, jolla voidaan määrittää turpoaminen pelkistyksen edetessä; uusi pelkistyvyystesti, jolla voidaan määrittää rautapanosmateriaalin pelkistyminen kiinteässä tilassa masuunia jäljittelevissä olosuhteissa; ja uusi koeohjelma, jolla voidaan jäljitellä aiempaa tarkemmin masuuniolosuhteita sulamis-pehmenemiskokeessa. Turpoamistestit vakioiduissa olosuhteissa osoittivat, että isotermiset testit eivät anna realistista kuvaa materiaalin käyttäytymisestä masuunissa. Tämän vuoksi dynaamisia kaasukoostumus–lämpötila-ohjelmia tulisi suosia. Lisäksi tutkimustulokset osoittavat, että myös masuunissa kiertävillä komponenteilla (rikillä ja kaliumilla) on vaikutusta pelletin tilavuuden muutokseen pelkistyksessä. Yhdessäkään turpoamiskokeessa ei kuitenkaan havaittu katastrofaalista turpoamista. Masuunin rautapanosmateriaalien korkealämpötilaominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä arvioitiin sekä kokeellisin menetelmin että termodynaamisin laskelmin. Yhdelläkään tutkitulla pellettilaadulla ei havaittu sintterin veroisia korkealämpötilaominaisuuksia, mikä johtuu eroista kemiallisessa koostumuksessa ja makrohuokoisuudessa. FeO-SiO2-CaO-MgO-Al2O3 systeemitarkastelut rautapanosmateriaalin lähtökoostumuksella todettiin toimivaksi menetelmäksi arvioida panosmateriaalin pehmenemiskäyttäytymistä. FactSage-laskennat antavat ymmärtää, että rautapanosmateriaalin pehmenemisominaisuuksia voidaan parantaa joko vähentämällä SiO2:n osuutta, lisäämällä MgO:n osuutta tai lisäämällä CaO:ta sopiva määrä SiO2:n osuuteen nähden.