Technologieën voor het verbeteren van de bedrijfsprestaties van hoogovens

Technologieën voor het verbeteren van de bedrijfsprestaties van hoogovens

Een hoogoven (BF) is een investering in de toekomst. Daarom is het noodzakelijk dat alle apparatuur, systemen en componenten op de juiste manier worden gedimensioneerd, evenals technologieën die de gewenste productie en kwaliteit garanderen, zodat verbeterde prestaties van de hoogoven kunnen worden bereikt. Dit is met name het geval wanneer hoogovens voor kapitaalreparaties gaan. Tijdens kapitaalreparaties voldoet de integratie van technologieën voor de verbetering van de bedrijfsprestaties van de hoogoven ook aan de nieuwe eisen die worden gesteld aan de prestaties van de hoogoven, de veiligheid van het personeel, lagere onderhoudsvereisten en naleving van de milieuwetgeving.

Een belangrijke uitdaging voor hoogovenoperators is altijd geweest om te zorgen voor een continue en betrouwbare levering van ruwijzer voor de staalsmelterij met uniforme kwaliteit en tegen de laagst mogelijke kosten. Elke onderbreking in de productie van ruwijzer kan leiden tot mogelijke stilstand in de downstream productie- en verwerkingsfaciliteiten. Stilstand moet tot een minimum worden beperkt en de levensduur van de hoogovencampagne moet zo lang mogelijk worden verlengd. Fluctuaties in de bedrijfsparameters van de hoogoven moeten worden vermeden voor een uniforme kwaliteit van het ruwijzer, wat alleen mogelijk is door de toepassing van de juiste technologieën en geavanceerde automatiserings- en procescontroleoplossingen.

Er zijn verschillende technologieën (Fig 1) die, wanneer ze worden toegepast, de bedrijfsprestaties van de hoogoven aanzienlijk verbeteren en de efficiëntie verhogen, zowel wat betreft productiviteit als brandstofverbruik. Dit resulteert in een verbeterde productiesnelheid van het hete metaal per volume-eenheid van de hoogoven en een verminderd verbruik van BF-cokes. Enkele van de belangrijkste technologieën worden hieronder beschreven.

Fig 1 Technologieën voor het verbeteren van de operationele prestaties van BF

Verhoging van het interne volume van de oven

Door gebruik te maken van geavanceerde technologieën voor vuurvaste bekleding van ovens en ovenkoeling, is het mogelijk om de dikte van de voering in de oven te verminderen tijdens de reparaties van het ovenkapitaal en tegelijkertijd de levensduur van de ovencampagne te verlengen. Vermindering van de dikte van de bekleding resulteert in een toename van het interne volume van de hoogoven, wat resulteert in een toename van de productiecapaciteit van de oven. Dit geeft ook een consistent oventemperatuurprofiel gedurende de hele ovencampagne. Verbeterde vuurvaste materialen die worden gebruikt voor de vuurvaste bekleding van de oven zijn onder meer erosiebestendige aluminiumoxide-vuurvaste materialen in de bovenste stapel, siliciumcarbide-vuurvaste materialen in bosh en buik, en erosiebestendige koolstofhaardwanden met keramisch kussen. Voor ovenkoeling worden koperen duigen gebruikt in zones met een hoge warmtestroom, terwijl gietijzeren duigen in andere zones worden gebruikt. Gietijzeren duigen hebben normaal gesproken onafhankelijke koeling.

Kwaliteit van ijzerhoudende lading

Om een ​​permeabele hoogoven te garanderen, essentieel voor een stabiele werking, is het belangrijk dat de ijzerlading sterk is, nauw bemeten en efficiënt wordt gezeefd om fijne deeltjes te verwijderen. Het mag niet overmatig uiteenvallen in de stapel, wat extra boetes oplevert. Het moet voldoende poreus, reduceerbaar en van een geschikte grootte zijn om het materiaal voldoende te laten reduceren tegen de tijd dat het de verwekingszone bereikt. Op deze manier is de cohesieve zone minder beperkend, met minder FeO-rijke slakken, en is de thermische belasting in de lagere regionen van de oven lager, wat een vlotte werking bevordert. Er moet worden voldaan aan de eisen met betrekking tot de fysische en metallurgische eigenschappen van sinter, gekalibreerde klomperts en/of pellets voor een efficiënte werking. De verzachtende en smeltende eigenschappen van de ijzerhoudende componenten hebben een belangrijk effect op de werking van de hoogoven. Beperkingen in de cohesieve zone en slechte smelteigenschappen kunnen leiden tot een grillige lastdaling, onstabiele werking en thermische schommelingen.

Een belangrijk aspect om rekening mee te houden bij het selecteren van individuele belastingcomponenten is hun verwekings- en smelteigenschappen. Het grootste deel van de drukval over een hoogoven bevindt zich in het gebied waar de ijzerhoudende lading zachter wordt, smelt en naar beneden druppelt in het cokesbed waardoor de gassen opstijgen. Een breed smelt- en verwekingsbereik resulteert in een verhoogde drukval en een grote samenhangende wortelzone die botst op het metselwerk van de onderste schacht.

Kwaliteit van cola

Voor een stabiele werking van de hoogoven bij een redelijke productiviteit is cokes van goede kwaliteit essentieel. Het is een van de meest genoemde redenen voor een slechte werkingsperiode. Cokes moet sterk en gestabiliseerd zijn om het gewicht van de last te dragen met minimale mechanische afbraak. Het moet voldoende groot en dicht bemeten zijn, met minimale fijne deeltjes, om een ​​doorlatend bed te creëren waardoor vloeistoffen naar beneden in de haard kunnen druppelen zonder de opstijgende gassen te beperken. Een consistente afmeting is vereist om ongewenste variaties in permeabiliteit te vermijden en om het concept van variërende dikte van de cokeslaag over de ovenstraal te ondersteunen om de radiale gasstroom te regelen. De cokes moet voldoende onreactief zijn tegen oplossingsverlies (cokesreactiviteitsindex, CRI, normale waarde 20 % tot 23 %), onder dergelijke omstandigheden zijn sterkte behouden (cokessterkte na reactie, CSR, normale waarde 65 % tot 68 %), en laag in alkaliën om alkalivergassing in de toevoerleiding te minimaliseren, wat een schadelijk effect heeft op de afbraak van cokes. Een laag zwavelgehalte is ook nodig om zwavel van ruwijzer te minimaliseren. Variaties in het vocht- en koolstofgehalte van cokes moeten worden gecontroleerd om hun effect op de thermische toestand van het proces te minimaliseren.

Cokes in het ovencentrum vervangt geleidelijk de dode man en de cokes in de haard, die doorlaatbaar moet blijven om de vloeistoffen over het midden van de haard te laten wegvloeien. Dit voorkomt overmatige perifere stroom van heet metaal in de haard. Een toename van de temperatuur in het centrum van de haardkussens wordt gewoonlijk waargenomen met een toename van de dodemanscokes, wat wijst op een verhoogde activiteit van het haardcentrum. De grootte van de opening van de cokeszeven is een belangrijke parameter om de doorlaatbaarheid van de haard te behouden. Het is meestal gunstig om de zeefgrootte te vergroten en de extra kleine cokes die ontstaat, vermengd met de ijzerhoudende lading, weg van de hartlijn van de oven te laden.

Het doel van het specificeren van cokes van hoge kwaliteit is ervoor te zorgen dat grote cokes de lagere delen van de oven bereiken. Om deze doelstelling op lange termijn te bewaken, is het raadzaam om af en toe cokes te bemonsteren vanaf het niveau van de tuyere om de cokesafbraak door de oven te beoordelen. Dit wordt meestal uitgevoerd tijdens gepland onderhoud, vaak in combinatie met tuyere-wisselingen. Een groot cokesmonster wordt uit een mondstukopening gehaald en de eigenschappen ervan worden vergeleken met een monster van de overeenkomstige voedingscokes.

Om thermische en chemische variaties te minimaliseren, is een homogene belasting wenselijk. De lastcomponenten moeten zo innig mogelijk gemengd zijn. Dit hangt af van het aantal lastcomponenten en het individuele laadsysteem, maar kan meestal in redelijke mate worden bereikt door opslagbunkers te selecteren en de volgorde van materiaalafvoer.

Opladen van notencokes

Een flexibel oplaadsysteem maakt het gebruik van notencokes mogelijk. De grootte van de voor het opladen beschikbare notencokes hangt af van de grootte en efficiëntie van de hoogovencokesschermen bij de cokessorteereenheid van cokesovenbatterijen, maar ligt typisch in het bereik van 10 mm tot 25 mm. Het laden van notencokes gemengd in het ijzerhoudende materiaal en gepositioneerd langs de middenradius, verbetert de werking door de reductie-efficiëntie en permeabiliteit van de ertslaag in de cohesieve zone te verbeteren. Het opladen van notencokes verlaagt ook de buiktemperatuur. Cokes van noten wordt ook aan de muur geladen, ingeklemd tussen de twee ertsladingen om een ​​inactief muurgebied te voorkomen wanneer fijn erts aan de muur wordt geladen.

Lastverdeling

De verdeling van de last is een van de belangrijkste factoren die niet alleen de stabiliteit van de werking beïnvloeden, maar door de radiale gasstroom in de oven te bepalen, is het een van de belangrijkste factoren die de mate van slijtage van de ovenwanden regelen. Om de lastverdeling in de hoogovenstapel beter onder controle te krijgen en daarmee het gas-vast-contact en de brandstofefficiëntie te verbeteren, zijn de afgelopen jaren verschillende nieuwe ontwikkelingen toegepast. De twee soorten distributiesystemen die voldoende controle voor een hoge productiviteit mogelijk maken, zijn de klokloze top met een kantelbare roterende goot en een bellaadsysteem met beweegbare keelpantsering.

In de eerste plaats wordt de radiale gasstroom geregeld door de hoeveelheid ijzerhoudende lading tot cokes, aangezien cokes over het algemeen veel groter is. Dit wordt het gemakkelijkst bereikt door het materiaal in discrete lagen op te laden en de laagdikte over de ovenradius te variëren. Bescherming van de ovenwanden wordt daarom bereikt door het aandeel van de ertslaag aan de wand te vergroten, wat resulteert in een verminderde hoeveelheid warmte die door het wandkoelsysteem wordt afgevoerd. Er is echter een grens aan het aandeel ijzerhoudend materiaal dicht bij de ovenwand, anders vormt zich een inactieve laag, die de vorming van wandaangroei kan bevorderen en een onvoorbereide belasting in de lagere delen van de oven en toenemende blaasfalen kan veroorzaken. Het aandeel cokes in het midden van de oven moet voldoende zijn om een ​​stabiele werking van de oven op het gewenste productieniveau mogelijk te maken. Een groot aandeel cokes zorgt voor een relatief permeabel gebied met minder dalende vloeistoffen, waardoor het maximale straalvolume kan worden gebruikt zonder grote schommelingen in straaldruk en grillige lastafdaling.

De cokes in het midden van de oven vervangt de cokes in de haard en een cokesrijk permeabel centrum stimuleert een permeabele haard, die de vloeistofstroom door de haard in verband brengt. De centrale cokesschoorsteen mag echter niet onnodig breed zijn, omdat anders inefficiëntie en schade aan bepaalde delen van de ovenplaat kan ontstaan ​​als gevolg van een te hoge warmtecapaciteit van het opstijgende gas.

Gedeeltelijk opladen van materialen

Meer geavanceerde distributiesystemen maken extra controle van de lastverdeling mogelijk door gebruik te maken van meer dan één maatbereik van een bepaald materiaal. Een van de meest gebruikte praktijken is het laden van fijne ferromaterialen, vaak van screenings van de belangrijkste ferrolading. Fijnstof wordt afzonderlijk in kleine hoeveelheden in de buurt van de ovenwand geladen om een ​​plaatselijke vermindering van de doorlaatbaarheid te geven en zo de wanden te beschermen. Het laden van een afzonderlijke kleine partij fijner materiaal vermindert normaal gesproken de laadcapaciteit van de oven. Het laden van kleine batches met een bel en een beweegbaar keelpantsersysteem veroorzaakt door de kortere lostijd minder vertragingen dan bij een klokloze top. Het kan mogelijk zijn om kleine hoeveelheden fijnere materialen in de ovenwand te laden door ze eerst in de bovenste vultrechter of grote kloktrechter te laden en de overeenkomstige initiële hellingshoek of beweegbare keelpantserinstelling te gebruiken. De hoeveelheid wordt echter beperkt door de trechterafvoerkarakteristieken tot die welke door de trechter zal gaan zonder zich te vermengen met de rest van de lading. Er is ook een financieel voordeel bij het rechtstreeks gebruiken van dergelijke ijzerhoudende boetes in plaats van ze terug te sturen om opnieuw te worden gesinterd. Op een vergelijkbare manier kan de ijzerlast worden opgesplitst in grote en kleine maten die vervolgens over verschillende delen van de ovenradius worden geladen om de radiale permeabiliteit te regelen.

Hogedrukwerking

Een van de beperkende factoren bij het proberen om het blaasvolume in de hoogoven te verhogen, is het liftende effect dat wordt veroorzaakt door de grote hoeveelheden gassen die door de last omhoog blazen. Dit hefeffect (de massastroom) voorkomt dat de last normaal daalt en veroorzaakt eerder een verlies dan een toename van de productie. Om de productiesnelheden boven normaal te verhogen, is de hoogoven uitgerust met een septumklep in het bovenste gassysteem om de uitlaatgasdruk te verhogen. Deze drukverhoging comprimeert de gassen door het hele systeem en maakt het mogelijk om een ​​grotere hoeveelheid lucht te blazen. Met deze toename van de hoeveelheid lucht die per minuut wordt geblazen, is er een overeenkomstige toename van de productiesnelheid. Bovendien onderdrukt dit ook de vorming van SiO, wat resulteert in een verlaging van het ruwijzer-siliciumgehalte.

Wanneer de druk van het topgas wordt verhoogd, moet ook de druk van de inlaatluchtstoot proportioneel worden verhoogd. Verder, als de topdruk wordt verhoogd, is het noodzakelijk om een ​​grotere ventilator te gebruiken, die in staat is om het verhoogde blaasvolume bij de hogere druk te leveren. De ovenschaal, de kachelschaal, de stofvanger, de primaire ring en de gasleiding moeten ook de structurele integriteit hebben om de verhoogde druk te weerstaan. De smoorklep die wordt gebruikt om de topdruk te verhogen, bevindt zich voorbij de primaire gaswasser waar het zandstraaleffect van het gas is verminderd door verwijdering van een groot deel van het stof dat door het gas uit de oven wordt meegevoerd. De uitgangswaterleiding van de primaire ring moet zijn uitgerust met een regelaar zodat de gasdruk in de ring het waterslot niet vernietigt. Voor het vereffenen van de druk bij de ovenlaadapparatuur wordt schoon gas of stikstof gebruikt. Ovens met een topdruk van 2-2,5 kg/cm2 werken met succes. Bij sommige van deze ovens worden turbines voor het terugwinnen van de topdruk gebruikt om een ​​deel van de compressie-energie terug te winnen en stroom te produceren.

Temperatuur van hete explosie

De heteluchttemperatuur verbetert het brandstofverbruik van de hoogoven en maakt hogere oventemperaturen mogelijk, waardoor de capaciteit van ovens toeneemt. Hoge hete ontploffingstemperaturen zijn essentieel voor een efficiënte werking van de hoogoven, aangezien ze de behoefte aan ovencokes aanzienlijk verminderen en de injectie van hulpbrandstoffen zoals poederkool als vervanging van hoogovencokes vergemakkelijken. De totale energiebesparing die mogelijk is door een combinatie van technieken is in de orde van grootte van 0,12 miljoen kcal/ton ruwijzer. Het resulteert in lagere bedrijfskosten omdat de cokesverhouding met 2,8% per 100 ° C stijging van de ontploffingstemperatuur wordt verlaagd wanneer deze tussen 1000 ° C en 1200 ° C wordt gehouden. Veel moderne ovens werken bij een hete ontploffingstemperatuur die hoger is dan 1300 ° C .

Zuurstofverrijking van de heteluchtstoot

Het doel van zuurstofverrijking in de ontploffing is om de adiabatische vlamtemperatuur (RAFT), de vorming van haardgas en de intensiteit van het smelten te regelen. Wanneer de blaaslucht wordt verrijkt met zuurstof, is er een toename van het RAFT. Hoge vlamtemperaturen zijn normaal gesproken onverenigbaar met de lastmaterialen van relatief lage kwaliteit en hebben lastmaterialen van de juiste kwaliteit nodig. Verdere hoge vlamtemperaturen als gevolg van zuurstofverrijking moeten worden beheerst met ontploffingsvocht en brandstofinjectie. Er zijn ovenoperaties die meer dan 12% zuurstofverrijking gebruiken. Voor elk percentage zuurstof boven dat voor normale luchtstoot (ongeveer 21% zuurstof), neemt de productiesnelheid toe met ongeveer 2% tot 4%. In gevallen waarin de belaste materialen een goede reduceerbaarheid hebben, dat wil zeggen dat ze snel zullen verminderen, kan de vlamtemperatuur aanzienlijk worden verhoogd en kan het brandstofrendement worden verbeterd. Het oordeelkundige gebruik van zuurstof biedt een manier om de massastroomsnelheid van het bosh-gas te regelen, zodat de ovendoorvoer kan worden gemaximaliseerd terwijl de kwaliteit van het hete metaal wordt gecontroleerd.

Extra brandstofinjectie

Met de ontwikkeling van technieken om de temperatuur van hete explosies te verhogen tot 1000 ° C tot 1300 ° C en de noodzaak om het RAFT te beheersen vanwege het type belastende materialen dat wordt gebruikt, is het mogelijk geworden om koolwaterstofbrandstoffen in de explosie te injecteren oven door de blaaspijpen om de vlamtemperatuur te regelen, het reducerende vermogen van het boshgas te verhogen en tegelijkertijd een deel van de hoogovencokes te vervangen. In aanwezigheid van grote hoeveelheden cokes kunnen de koolwaterstofbrandstoffen alleen branden tot koolmonoxide en waterstof; bijgevolg produceren ze minder warmte dan de cokes die ze vervangen, wat resulteert in controle van de vlamtemperatuur, maar het reducerende gas dat ze produceren is effectiever dan dat geproduceerd door de verbranding van cokes.

Er zijn veel verschillende brandstoffen geprobeerd:aardgas, cokesovengas, olie, teer en poederkool, zelfs slurries van steenkool in olie. Verpulverde steenkool is tegenwoordig de meest gebruikte injectiestof in de hoogoven vanwege de relatieve hoeveelheid en de lage kosten. Wanneer steenkool wordt gebruikt, wordt het ook in de luchtstraal gebracht door een lans die via de zijkanten van de blaaspijpen in de luchtstroom komt. Het is het meest wenselijk om de geïnjecteerde steenkool volledig te vergassen en te verbranden voordat deze de toevoerleiding net binnen de oven verlaat. Bij het injecteren van brandstof zijn speciale voorzorgsmaatregelen vereist om de ophoping van brandstof in de brand- of blaaspijp en de daaropvolgende verbranding te voorkomen. Het injectieproces van poederkool wordt hieronder beschreven.

Steenkoolgrondstoffen worden naar een kolenvoorbereidingsinstallatie getransporteerd waar het zwervermateriaal wordt verwijderd door zeef en een bovenliggende magneet. De kolen worden vervolgens vermalen en gelijktijdig gedroogd in een stroom heet gas of in een gecombineerde maaleenheid/droger, gevolgd door extractie door het systeem door middel van een zuigtrekventilator. Kolen met de juiste productgrootteverdeling worden door een snelheidsscheider opgezogen en opgevangen in een zakkenfilterunit. Het eindproduct wordt gescreend voordat het wordt overgebracht naar een opslagsilo. Een deel van de uitlaatgassen wordt bij de maaleenheid/droger teruggevoerd naar de heetgasgenerator. Deze regelfunctie zorgt ervoor dat het totale zuurstofgehalte van het hete gas, in contact met de steenkool, onder de 12% wordt gehouden om elke kans op ontbranding van de gemalen steenkool te elimineren. Het koleninjectiesysteem bestaat uit sluishoppers en injectorunits. De stroomsnelheid van de kolen naar elke blaaspijp kan onafhankelijk worden geregeld door een mechanische feeder. Als alternatief kan een eenvoudiger systeem met minder nauwkeurigheid van de stroomregeling naar elke blaaspijp worden geleverd, met behulp van een op een splitter gebaseerd systeem. De apparatuur voor PCI is tegenwoordig behoorlijk stevig met een beschikbaarheid van meer dan 98% en nauwkeurige koleninjectiesnelheden tot op 2%.

Automatisering en controle

Het automatiserings- en controlesysteem biedt tegenwoordig de ideale oplossing voor alle aspecten van de ovenwerking. Deze omvatten namelijk (i) controle van de bovenzijde van de oven op toppen met laadbak of band met complexe laadpatronen en lastverdeling, (ii) uniek spiraalbeladingssysteem voor klokloze top om het deel van de boetes dat kan worden geladen te vergroten, (iii) voorraadhuis controle van sequentieel gegroepeerde materialen met 'in-flight' weging en materiaalgelaagdheid, (iv) gasreinigingsregeling, (v) kachelregeling voor cyclische, parallelle, overlappende parallelle en verspringende parallelle werking met vier kachels, (vi) regeling van het koleninjectiesysteem, (vii) bediening en controle van het giethuis, en (viii) controles van de slakgranulatie-installatie. Naast de automatisering en besturing hebben ook functies voor fabrieksveiligheid en uitschakelsequenties.

Om een ​​hoge prestatie van hoogovens tegen lage kosten te garanderen, zijn hoogovens tegenwoordig voorzien van een gesloten-lus optimalisatiesysteem. Dit systeem functioneert op basis van geavanceerde procesmodellen, kunstmatige intelligentie, verbeterde softwareapplicaties, grafische gebruikersinterfaces en operationele knowhow. Uitstekende procesprestaties en aanzienlijk lagere productiekosten worden bereikt in de ovens met een gesloten-lus-optimalisatiesysteem. In een gesloten-lus-expertsysteem worden de belangrijkste parameters van de te regelen hoogoven uitgevoerd zonder tussenkomst van de operator. Regeling van bijvoorbeeld de cokessnelheid, de basiciteit, de stoominjectiesnelheid en zelfs de lastverdeling kunnen gelijktijdig en automatisch worden uitgevoerd in een gesloten lusmodus om stabiele en consistente procesprocessen tegen lage productiekosten te garanderen. Nauwkeurige besturing van de hoogoven wordt bereikt op basis van geavanceerde procesmodellen.

Het procesinformatiebeheersysteem van de huidige hoogoven verzamelt, bereidt en slaat alle relevante gegevens op voor later gebruik.