Gebruik van colanoot in een hoogoven

Gebruik van colanoot in een hoogoven

Metallurgische cokes, ook wel hoogovencokes genoemd, speelt een belangrijke rol in de stabiele werking van de BF. BF-cokes heeft een typische grootte van 30 mm tot 60 mm (sommige ovens gebruiken BF-cokes van 40 mm tot 80 mm) en het vormt een groot onderdeel van de productiekosten van het ruwijzer (HM). De hoge kosten zijn het gevolg van de vorming van een groot percentage minusfracties cokes tijdens de productie van BF-cokes in de cokesovens. Deze minusfracties staan ​​bekend als cokesbries (-10 mm) en notencokes (10 mm tot 30 mm). De volledige hoeveelheid cokesbries wordt in het algemeen verbruikt in de sinterfabriek tijdens het sinteren van ertsdeeltjes. Vroeger werd er in een geïntegreerde staalfabriek praktisch geen cokes gebruikt en werd het verkocht aan andere gebruikers. Prof. V. I. Loginov stelde in 1960 voor om de notencokes in de BF gemengd met sinter te laden. Hoewel dit idee met succes werd getest, was er aanvankelijke weerstand om notencokes in de BF te gebruiken.

Het gebruik van notencokes in BF als vervanging van een deel van BF-cokes wordt nu echter als een bewezen technologie beschouwd en de toevoeging van notencokes in BF-erts is bijna een standaardpraktijk geworden. Het gebruik van notencokes is sterk afhankelijk van de beschikbaarheid ervan. In sommige BF's is met succes een maandelijks gemiddeld verbruik van notencokes van meer dan 100 kilogram per ton ruwijzer (kg/tHM) bereikt. De statistische analyse van de gemiddelde jaarlijkse indexcijfers van sommige Europese BF's heeft aangetoond dat de introductie van notencokes in de BF-last de coëfficiëntvervangingsfactor bijna 1,0 opleverde.

In de conventionele praktijk van het maken van BF-ijzer worden ijzerhoudende last (brok erts, sinter en pellets) en BF-cokes in afwisselende lagen geladen. Notencokes wordt normaal gesproken in de BF gemengd met de ijzerhoudende lading geladen. Toevoeging van de notencokes aan de ijzerhoudende lastlaag van de BF (i) helpt bij het effectieve gebruik van laagwaardig product dat wordt gegenereerd tijdens de carbonisatie van cokeskool, (ii) vermindering van het verbruik van BF-cokes bij de BF, (iii) verbetering van de BF-productiviteit, (v) optimaliseert het dynamische gasregime van de smeltoperatie in de BF, (v) verbetert de technisch-economische indices van de BF vanwege de verlaging van de productiekosten van HM, en (vi) reduceert tot de CO2 emissies, aangezien er in de cokesovens minder cokes geproduceerd zal worden. Fig1 toont een vergelijking van conventioneel laden en gemengd laden van notencokes van de ertslading in de BF.

Fig 1 Vergelijking van conventioneel laden en gemengd laden van notencokes van de ertslading

Er zijn verschillende onderzoeken gedaan en op basis van deze onderzoeken zijn er veel proceswijzigingen doorgevoerd om het verbruik van de BF-cokes tijdens de HM-productie in de BF te verminderen. Verschillende studies hebben uitgewezen dat de gemengde lading van notencokes de doorlaatbaarheid van de verwekings- en smeltlaag verbetert, evenals de directe reductie. Met de notencokes is er een superieur effect voor dit fenomeen. De werking van veel BF's heeft de mogelijkheid van cokesbesparing en verhoging van de productiviteit van BF aangetoond bij gebruik van notencokes gemengd met ijzerbelasting, maar de redenen en het mechanisme van dit fenomeen waren tot de recente tijd niet erg duidelijk. In principe kunnen drie redenen de daling van de cokessnelheid beïnvloeden. Dit zijn (i) verbetering van de gasdoorlaatbaarheid in de 'droge zone' van de BF, (ii) verbetering van de reductiecondities van ijzerbelasting, en (iii) 'bescherming' van metallurgische cokes tegen de oplossingsverliesreactie in de BF-schacht als gevolg van de hogere reactiviteit van de notencokes.

In het recente verleden is ontdekt dat een kleine hoeveelheid notencokes vermengd met ijzerhoudende lading leidt tot een betere reductiekinetiek, een lager verbruik van reductiemiddelen en een betere doorlaatbaarheid voor gas en vloeistof. Nutcoke wordt opgeladen ter vervanging van de gewone BF-coke. Het gebruik ervan is van invloed op de ferrolast tot cokeslaagdikteverhouding en permeabiliteit. Het gebruik ervan varieert van BF tot BF. De interactie van notencokes met belasting bij zowel lage als hoge temperaturen is belangrijk. Als notencokes meer dan de optimale hoeveelheid wordt geladen, zorgt dit ervoor dat niet-geconsumeerde notencokes naar het onderste deel van de BF daalt. Dit heeft een nadelig effect op de BF-haard, aangezien de niet-geconsumeerde notencokes zich ophopen en de dodemanszone verstikken. Verstikte dode man verstoort de kwaliteit van de HM en de productiviteit van de BF. Dit effect is ernstiger wanneer de BF werkt met een hoge koleninjectiesnelheid. Idealiter wordt notencokes volledig geconsumeerd vóór de cohesieve zone. Fig 2 toont een vergelijking van BF-bewerking zonder en met notencokes in de BF-belasting.

Fig 2 Vergelijking van BF-operatie zonder en met nootcokes in de BF-last

Een studie uitgevoerd naar de invloed van de sinter- en cokeslaagdikte en het sinter-nootcokesmengsel op de gasdoorlaatbaarheid bij temperaturen in het bereik van 1.100 ° C tot 1600 ° C heeft aangetoond dat naarmate de dikte van de sinter- en ertslagen afneemt, de drukval wordt verminderd. Door 90 gram (g) notencokes in 1400 g sinter te mengen, kan de drukval bij 1400 ° C worden verlaagd van 380 mm WC (waterkolom) tot ongeveer 50 mm WC. De conclusie van het onderzoek is dat de toepassing van een gemengde laadtechnologie met een hoge verhouding notencokes in de BF resulteert in een verbetering van de gasdoorlaatbaarheid in de cohesieve zone.

In een ander onderzoek is de segregatie van notencokes en de radiale distributie in een laadsysteem voor het binnenkomen van de BF gesimuleerd met behulp van de discrete-elementenmethode. Er is gerapporteerd dat de omtreksbalans van de notencokesmassa in de vultrechter een zeer belangrijke factor is die de distributie van notencokes beïnvloedt. Het is gebleken dat het aanbrengen van stabilisator op de punt van de vulkoker een efficiënte methode is om de segregatie van notencokes te voorkomen.

In verschillende BF's is de verandering in reductieprocessen door gebruik te maken van notencokes-erts gemengd laden bestudeerd. Gebleken is dat directe reductie in de cohesieve zone kan worden bevorderd en in de haard kan worden geremd en dat daardoor de verwarming van de haard wordt verbeterd. Het effect van notencokes op het cokesverbruik is afhankelijk van de karakterisering van zowel notencokes als de BF-cokes. De invloed van twee afzonderlijke rollen van notencokes als reductiemiddel en als bedspacer is onderzocht. Gebleken is dat vanwege de grootte van de notencokes in de ertslastlaag het mogelijk maakt dat de notencokes voornamelijk wordt verbruikt om CO-gas te regenereren, en dat de BF-cokes wordt beschermd tegen afbraak en daardoor de doorlaatbaarheid van het bed verbetert. Het preferentiële verbruik van notencokes door de oplossingsverliesreactie is afhankelijk van de grootte van de notencokes. Fig 3 geeft een vergelijking van conventionele lading en gemengde notencokeslading van de ertslading in BF.

Fig 3 Vergelijking van conventionele lading en gemengde lading van notencokes van de ertslading in BF

Een hogere mate van vervanging van BF-cokes door notencokes is altijd wenselijk, maar bij een zeer hoog gebruik van notencokes bestaat altijd het risico dat de niet-geconsumeerde notencokes naar het onderste deel van de BF gaat, wat kan leiden tot verstikking van de dode man en de haard. In een studie gebaseerd op wiskundige modellen en experimenten is geconcludeerd dat wanneer de notencokessnelheid laag is, deze volledig wordt verbruikt door de vergassingsreactie en dit leidt tot een betere permeabiliteit. Maar wanneer de notencokessnelheid erg hoog is, wordt deze niet volledig verbruikt door de vergassingsreactie. Het blijft bestaan ​​in het onderste deel van de BF en veroorzaakt een toename van de drukval van het gepakte cokesbed. Op basis van de operationele ervaring van BF is gevonden dat een toename van het gebruik van notencokes boven een bepaalde optimale concentratie de afvoercapaciteit van de haard beïnvloedt, en resulteert in een slechte smeltsnelheid en een lagere BF-productiviteit.

In een andere simulatiestudie van de dodemanszone in de BF-haard is opgemerkt dat lediging belangrijker is dan de cokesdiameter in de dodemanzone. De lage leegte in de dodemanszone kan een lagere penetratie van de hete gassen in het lagere BF-gebied veroorzaken en ontwikkelt een lage temperatuurzone in het dodemansgebied. De vorming van fijne deeltjes en de accumulatie ervan zijn niet wenselijk voor de doorlatende dodemanzone. Men heeft ook gezien dat de fijne cokesdeeltjes die aanwezig zijn in het onderste deel van de BF een toename van de drukval veroorzaken en deze toename van de drukval is groter dan de grootte van de afname van de drukval in de cohesieve zone als gevolg van de notencokes. Zo neemt de algehele drukval in de BF toe.

Bovenstaande bevindingen geven duidelijk aan dat er een optimale hoeveelheid van de notencokes is waarboven de voordelen van het gebruik van notencokes klein zijn, bovendien kan dit ook enkele afwijkingen in het BF-gedrag veroorzaken en de productie belemmeren.

Effecten van het opladen van nootcokes met de ijzerhoudende lading

Het laden van notencokes met de ijzerlading in de hoogoven heeft de volgende effecten op de BF-werking.

Verbetering van de doorlaatbaarheid – Permeabiliteit is een parameter die wordt geregeld door het straalvolume en de drukval van de schachtkolom. Onder de constante conditie van het ontploffingsvolume kan de permeabiliteit worden verbeterd door de drukval te verminderen. Bedpermeabiliteit is een van de belangrijkste factoren in de werking van BF. De BF-productiviteit kan worden verbeterd door een hogere opname van de ontploffing en heeft daarom voldoende gasdoorlaatbaarheid nodig. De gasdoorlaatbaarheid van het bed bepaalt de stroming van het reducerende gas in de BF. De manier waarop het reducerende gas in de BF stroomt heeft invloed op de productiviteit. Er wordt aangenomen dat de drukval kan worden verminderd door de notencokes toe te voegen aan de ijzerhoudende lading.

Het gebruik van notencokes met ijzerhoudende belasting heeft het voordeel van een betere doorlaatbaarheid in de droge zone van de BF. De toevoeging van notencokes in de ijzerlast heeft een positief effect op de gasdoorlatendheid. Het gunstige effect van de toevoeging van notencokes op de ijzerbelasting op de permeabiliteit is minder significant bij een lage mengverhouding van notencokes. Door het gebruik van ongeveer 10% en 20% notencokes in de ijzerhoudende lading, kan de BF-productiviteit worden verbeterd met respectievelijk 1,5% en 2,5%.

Er is onderzoek gedaan gedurende twee periodes in een BF. De eerste periode werd uitgevoerd met conventionele lading zonder notencokes en de tweede periode werd uitgevoerd met lading van ijzerhoudende lading met notencokes. In beide periodes wordt de hoeveelheid erts gelijk gehouden. Er is gevonden dat de druksprong van BF-gas toenam en varieerde met de hoeveelheid notencokes. De werking van de BF is gelijkmatiger verlopen met een toenemend percentage van de notencokes. De BF-output nam ook toe en de belangrijkste reden voor de hogere output was het verminderde verbruik van de BF-cokes. Door de betere verdeling van het stookgas en de gelijkmatigere werking van de oven wordt het verwarmings- en reduceervermogen van de gasstroom volledig benut.

In een andere studie van de BF-operatie waarbij een grote hoeveelheid notencokes gemengd met de ertslading werd gebruikt, werd geconcludeerd dat toevoeging van notencokes in de ertsladinglaag de verslechtering van de permeabiliteit in het onderste deel van de BF verhinderde. Uit het onderzoek is afgeleid dat de normale BF-cokes groot blijft in het onderste deel als gevolg van de reactie van selectieve oplossingsverlies van notencokes en dat de permeabiliteit van de cohesieve laagresten goed is vanwege het laden van de notencokes met het ijzerhoudende last.

Er is nog een onderzoek gedaan naar de eigenschappen van de ertslastlaag bestaande uit erts en notencokes. In het onderzoek zijn twee methoden voor het mengen van lagen gebruikt. De eerste is van hoogte veranderen en meer aantal lagen hebben. De tweede is het veranderen van de hoeveelheid notencokes in de ertslaag. Gebleken is dat de drukval afneemt met de afname van de laaghoogte (toename van het laagnummer) en de piek verdween onder de omstandigheden van meer dan 3 lagen. De drukval neemt snel af naarmate de hoeveelheid notencokes toeneemt. Er is gedacht dat carbonisatie optreedt op het grensvlak van de sinter en cokes. Bij het smelten van metaal aan de grens gaat gas voornamelijk door cokes en zijn omgeving en blijft de doorlaatbaarheid van de gepakte laag voldoende behouden. Over het algemeen wordt aangenomen dat hoe groter de holte in de lastlaag is, hoe hoger de doorlaatbaarheid. Door een gasdynamica-onderzoek is echter gebleken dat wanneer notencokes wordt gemengd in de lastlaag, de leegte wordt verminderd, maar de permeabiliteit wordt verbeterd in vergelijking met conventionele vulling van erts zonder notencokes. Daarom moeten zowel de vide als de videstructuur in overweging worden genomen bij het bestuderen van de doorlaatbaarheid van de belasting.

De toevoeging van de notencokes aan de ertslaag kan de gasweerstand van de cohesieve zone verminderen. De verlaging van de gasdoorlaatbaarheidsweerstand komt doordat de gemengde cokes een nieuwe leegte aan de ertslaag toevoegt.

Reductiekinetiek

De ijzerlast in de BF bestaat voornamelijk uit Fe2O3 en Fe3O4. Het verwijderen van zuurstof (O2) uit de ertsbelasting wordt reductie genoemd. Het BF-proces is gebaseerd op het reductiegedrag van de ijzerhoudende lastmaterialen. Reductiesnelheid en reductiegraad hebben direct invloed op de productie van de BF. De temperatuur van de thermische reservezone in de BF komt ongeveer overeen met de begintemperatuur van de Boudouard-reactie (oplossingsverlies) van cokes (C + CO2 =2CO), die intensieve endotherme reacties met zich meebrengt. De Boudouard-reactie regelt de algehele reactie in de BF. Als de starttemperatuur van de thermische reservezone kan worden verlaagd, wordt de evenwichtsconcentratie van de FeO-Fe-reductiereactie (FeO + CO =Fe + CO2) verschoven naar een hoger CO-gasgebruiksrendement. Dit resulteert in een verbeterde efficiëntie van het gebruik van CO-gas aan de BF-top en een afname van het verbruik van reductiemiddelen.

Een hogere reductiesnelheid van ijzeroxide is wenselijk voor een hogere BF-productiviteit. In een onderzoek, gebaseerd op experimentele analyse van de reductie van ijzeroxide van 900 ° C tot 1200 ° C, is gesuggereerd dat de snelheidsregulerende reactie voor reductie oxidatie van koolstof is. De reductie van ijzeroxide vindt plaats in twee fasen. In de eerste fase wordt het gereduceerd van Fe3O4 naar FeO en in de tweede fase wordt het verder gereduceerd van FeO naar Fe. De snelheid van de eerste reductiereactie is sneller dan de tweede reactie. In de laatste fase van FeO-reductie door koolstof (C) neemt de reductiesnelheid verder af door de vorming van fayalitische (FeO.SiO2) slak. Het fenomeen ‘reductievertraging’ treedt vooral op tijdens en na het zacht worden van de ijzerlast. Een onderzoek op basis van experimentele observatie bevestigt dat bij hoge temperatuur (hoger dan 1100 deg C) ijzerlast zonder cokes last heeft van ‘reductievertraging’, maar bij ijzerlast gemengd met notencokes wordt dit fenomeen niet waargenomen. Voor een hogere reductiegraad is gevonden dat de grootte van notencokes vergelijkbaar of kleiner moet zijn dan die van de ijzerlast

Verwekings- en smeltgedrag – Het gebied waar het erts begint te verzachten en te smelten staat bekend als de cohesieve zone. Verweking en smelten zijn fysische verschijnselen en chemische veranderingen in het gedrag van de cohesieve zone zijn gerelateerd aan de locatie en vorm van de cohesieve zone en de gasstroom, en hebben een belangrijke invloed op de werking van de BF.

Een dunnere cohesieve zone is gewenst voor een lagere drukval en een betere permeabiliteit in de BF. Dit kan worden bereikt met de ijzerhoudende ladingen die minder temperatuurverschil hebben tussen hun verweking en smelten. De dikte van de cohesieve zone kan ook worden gewijzigd door notencokes in de ijzerhoudende lading te mengen. Door experimenten bij hoge temperatuur uit te voeren met notencokes gemengd met ijzerhoudende lading in een onderzoek, is gevonden dat de verwekings- en smelttemperatuur wordt verhoogd met respectievelijk 86 ° C en 15 ° C. Het verschil in verwekings- en smelttemperatuur wordt verkleind door 71 ° C. Dit duidt op de vorming van een dunnere cohesieve zone met de gemengde ijzerhoudende last van notencokes.