Opblazen van een hoogoven: Essentiële stappen en technische inzichten

Het proces van opblazen van een hoogoven

Het proces van het starten van een hoogoven na de bouw of na herstening wordt opblazen genoemd. Het opblaasproces wordt in verschillende stappen uitgevoerd (Fig. 1) die bestaan uit (i) utdrogen van de lining, (ii) vullen van de hoogoven met een speciaal gerangschikte hoge cokes opblaas-ovlading, (iii) ontbranden van de cokes of aansteken van de hoogoven, en (iv) geleidelijk verhogen van de warmwind (windsnelheid) met frequente gietbeurten om de temperatuur van de hoogoven-hearth te laten stijgen. Gedurende de periode van opblazen wordt de ladingsverhouding (verhouding van erts tot cokes) aangepast volgens een vooraf vastgelegd schema tot de normale operatie van de hoogoven bereikt is en de hoogoven begint met produceren van de normale kwaliteit van de rauwijzer.

Fig. 1 Stappen in het opblaasproces van een hoogoven

Een nieuw gebouwde of herstende hoogoven moet zorgvuldig worden gedroogd voordat de cokes ontbrand wordt. Dit is omdat de grote hoeveelheid water vervat in de slurry gebruikt voor refraktair stenen leggen en het water geabsorbeerd door het refraktair steenwerk zo veel mogelijk moet worden afgedreven om extreme thermische schok te vermijden. Er is voldoende data beschikbaar dat opblazen van een hoogoven schade kan veroorzaken aan de refraktair lining zelfs wanneer deze goed is gedroogd. Bovendien, als het water uit deze bronnen niet uit de hoogoven wordt verwijderd voordat het in operatie genomen wordt, absorbeert het meer warmte dan voorzien voor de opblaaslading en voorkomt het dat de hearth de gewenste temperatuur bereikt. In dergelijke gevallen kan rauwijzer en vloeibare slak die de hearth binnengaan, daar bevriezen en in zo'n geval wordt het onmogelijk om ze uit de hoogoven te verwijderen.

Utdrogen van de hoogoven

Er zijn verschillende methoden die gebruikt kunnen worden om een hoogoven en de bijbehorende warmwindstoven te drogen. De normale methode voor warmwindstoven, waar gasvormige brandstof zoals cokesovengas beschikbaar is, is om een gaspijp in de onderste verbrandingskamer te plaatsen en te beginnen met een kleine vlam en de gastoevoer over vele dagen te verhogen tot een kleine hoeveelheid hoogovengas gebruikt kan worden, met de gasvormige brandstof als pilootvlam. Het is wenselijk om de warmte langzaam te verhogen gedurende ten minste tien dagen tot twee weken in een nieuwe warmwindstoof voordat men begint de warmwindstoof op de operatietemperaturen te brengen.

Warmwindstoven die eerdere dienst hebben gedaan, zijn opgewarmd in 36 tot 72 uur zonder kennelijke moeilijkheden. Een andere methode van drogen of verwarmen in het verleden was om een houtvuur in de bodem van de verbrandingskamer te bouwen. Het houtvuur had constante aandacht nodig tot de wandtemperaturen voldoende waren om correcte verbranding van hoogovengas te verzekeren.

Een van de methoden voor het drogen van een hoogoven is het gebruik van warmwindlucht. Het is een eenvoudige methode en drogen blijft te allen tijde onder controle. Bij toepassing van deze methode wordt het conventionele warmwindsysteem gebruikt behalve dat initiëel de blasttemperatuur rond 200 °C tot 220 °C gehouden wordt en het warmwindvolume op een laag blastniveau wordt gehouden. De temperatuur wordt over diverse dagen langzaam verhoogd tot iets boven 400 °C en op dat temperatuurniveau een paar dagen meer gehandhaafd. De gehele operatie kan in een week worden voltooid. Op sommige plaatsen worden ellenbogen en pijpen binnenin een paar van de tuyères van de hoogovens geïnstalleerd om verwarmte lucht naar de hoogoven-hearth te leiden. Het is wenselijk dat tijdens het laatste deel van de droogperiode, lage druk stoom in de hearth-koelstaven en bosh-platen wordt gebruikt om te helpen bij het drogen. De onderste afdichtingsklep van de toplading is gesloten tijdens het drogen, en de ovenbloedkleppen worden aangepast om zoveel mogelijk warmte binnen de hoogoven te behouden. Geen drukmeting hoeft te worden waargenomen aan de blastdruk-meter tijdens het drogen.

In installaties met één hoogoven waar hoogovengas niet beschikbaar is, moet de net beschreven methode gewijzigd worden omdat een auxiliere brandstof van hetzij cokesovengas of brandstofolie gebruikt moet worden om de warmwindstoven te verwarmen. Echter, voor het lage warmteniveau dat vereist is, kan dit voldoende worden gedaan.

Een alternatieve methode voor het drogen van de hoogoven is bekend als de hearth-vuurmethode. Het bestaat simpelweg uit een hout-, cokes- of koolvuur gebouwd in de hearth van de oven en gecontroleerd op dezelfde manier als de andere methoden met tuyère-sluiters en bloedkleppen. Het is moeilijk om de vuurtemperatuur te regelen. Ook frequente aanvulling van brandstof is vereist wat niet alleen moeilijk is maar ook het proces onderbreekt. Als het alleen voor drogen gebruikt wordt, is deze methode zo eenvoudig als hierboven beschreven, maar het kan toegepast worden als de start van een gecontroleerd of langzaam opblaasproces. Een paar opblaas-operators claimen dat verbeterde opwarming bereikt wordt door deze techniek. Na drogen wordt een erg zware cokes-blank geladen, gevolgd door een reguliere opblaaslading. Een lage blast wordt dan gehandhaafd, en hearth- en in-wand temperaturen langzaam verhoogd voordat het volume van luchtblast wordt verhoogd tot conventionele opblaas-snelheden. In deze methode vindt de daadwerkelijke opblaas plaats na een verloop van diverse dagen. Theoretisch heeft deze methode het voordeel dat er minder kans is op schade aan de refraktair stenen lining door thermische schok en er is een verminderde neiging voor de refraktair stenen te spallen. Echter, de methode is tijdrovend en duur. Superieure campagneduur is verkregen door het gebruik van conventionele methoden, en geen bewijs tot nu toe is opgemerkt dat superieure resultaten van langzame brand-in technieken worden verkregen.

Een andere methode die gebruikt wordt bestaat uit een open gasvlam binnenin de hoogoven. Een praktijk is om een gaspijp door de taphole te installeren en het gas te ontbranden met een klein houtvuur dat te allen tijde gehandhaafd wordt. Tuyère-openingen zijn uitgerust met sluiters om luchtinlaat te regelen, en de toptemperatuur van de hoogoven wordt op dezelfde manier geregeld als in de twee eerder beschreven methoden. Deze methode heeft duidelijke gevaren en is daarom niet meer in gebruik. Het wordt nu als een verouderde methode beschouwd. Deze praktijk is vervangen door het gebruik van branders ingebracht door de tuyères die hete lucht genereren uit de verbranding van gasvormige brandstoffen.

Een andere methode die gebruikt wordt voor het drogen van de hoogoven, is het gebruik van Nederlandse ovens. Twee, drie of meer ovens worden buiten de hoogoven gebouwd en de verbrandingsproducten van deze ovens plus excess verwarmde lucht worden door pijpen in de taphole en enkele tuyère-openingen geleid. Andere tuyère- en koeleropeningen worden geblokkeerd en trek wordt geregeld door de bloedkleppen van de hoogoven aan te passen. Zoals bij het drogen met warmwind, wordt de onderste afdichtingsklep van de topladingsapparatuur in de gesloten conditie gehouden. De Nederlandse ovens worden gestookt met cokes, kool of hout en hebben operators nodig voor het onderhoud van de vuurs, het halen van de brandstof, en het schoonmaken van de as. Temperatuurcontrole is in dit geval moeilijker, maar enige regeling wordt gehandhaafd door de intensiteit van de ovenvuurs en aanpassing van ovenbloedkleppen.

Vullen van de hoogoven

Na voltooiing van de droogoperatie, worden de onderste afdichtingsklep en de bloedkleppen van de hoogoven geopend. Blowpijpen worden naar beneden gehaald en enkele tuyères alsook enkele koelers worden verwijderd, indien wenselijk, en accessoires rond het giethuis gebruikt in het drogproces worden opgeruimd. In een relatief korte tijd koelt het interieur van de hoogoven voldoende af om de hearth te betreden om voor te bereiden op vullen. In het geval een hearth-vuur is gebruikt voor drogen, worden alle as en afval opgeruimd. Een inspectie van het ovenkoelsysteem wordt nu gemaakt en water aangezet. Het is een normale praktijk om een constante observatie op alle koelelementen te handhaven vanaf dit moment. In gevallen waar de ovenlining niet nieuw is en de oven leeg is, biedt deze inspectie een goede kans om koelelementen te vinden die lekken. Waar er twijfel is met een koelplaat of waar er een teken van vocht op de koelplaat is, dan moet de koelplaat worden vervangen voordat het vullen van de hoogoven gestart wordt. Ook alle mechanische, elektrische en fysieke apparatuur moeten een grondige controle ondergaan voordat het vullen van de hoogoven start. Normaal wordt een checklist opgesteld, en elk item van de checklist wordt afgevinkt als rapporten worden ontvangen dat het item bevredigend is.

Werk aan andere voorbereidingen zijn voorafgegaan en sommige gaan op dit moment door coincident met de start van de vuloperatie van de hoogoven. Voorbeelden zijn verwarmen van rauwijzerkroesen, vullen van de bunkers met grondstoffen in de bunkers van het stockhuis volgens het vooraf gerangschikte plan, voorbereiden van slakkroesen (indien gebruikt) voor dienst, inspectie van de gasleidingen van de hoogoven, en openen en sluiten van de ventilaties volgens richting. Stoom-purginglijnen worden gecontroleerd om te verzekeren dat stoom beschikbaar is wanneer nodig. De ijzer- en slaklopers in het giethuis moeten ook worden voorbereid.

Gelijkertijd moeten activiteiten in het elektriciteitscentrum voor de luchtblowers met gelijke intensiteit verlopen. Misschien moeten turbines geopend worden voor inspectie en talloze preventieve onderhoudswerkzaamheden uitgevoerd. Ketels moeten opgewarmd worden, turbo-blowers opgewarmd en gedraaid, snelheidstripmachines gecontroleerd, water aangezet op condensatoren, pompen geïnspecteerd en in operatie geplaatst, blastschema's opgehangen en herbevestigd met hoogovenpersoneel, ketelwaterbehandelingsinstallaties gestart en het schakelhuis en sub-station geactiveerd.

Enkele van de finale activiteiten vóór het opstarten van een hoogoven zijn de installatie en droging van de liningmaterialen voor de rauwijzergoten en lopers, het instellen van de skimmers en poorten en het verzekeren dat de modderkanonnen en taphole-boormachines correct gemonteerd zijn zodat ze de taphole (ijzernotch) correct contact maken. Op sommige plaatsen waar de hoogoven op zeer hoge druk moet worden bediend, wordt de hoogoven met koude blastlucht onder druk gezet vóór de opstart om te bepalen of er lekkages zijn die gecorrigeerd moeten worden voordat geladen wordt.

Er zijn veel verschillende rangschikkingen voor het plaatsen van de opstartlading in de hoogoven. Normaal bestaat het alleen uit cokes en een kleine hoeveelheid flux onder de mantel. Boven de mantel is er een geleidelijke toename in de ertslading met een geleidelijke toename in de ladingsverhouding (erts tot cokes). Vaak worden houten traversen in de hearth aan de tapholes geplaatst zodat er voldoende open ruimte is voor gas om te ontsnappen. In sommige opblazen worden hoogovenslak en kalksteen met de cokes in de bosh-regio geladen. Het doel hiervan is dat de slak een materiaal levert dat gemakkelijk smelt en warmte naar beneden in de hearth draagt. Het doel van de kalksteen is om zich met de cokesas te combineren en een smeltbare slak te vormen. Om het slakvolume tijdens de vroege periode van de opstart te vergroten, wordt soms silicegrind toegevoegd.

Terwijl de oven met de initiële lading wordt gevuld, wordt de erts/sinter-tot-cokesverhouding verhoogd richting de top van de hoogoven, de kalksteen-tot-cokesverhouding verminderd en de grind-tot-cokesverhouding iets verhoogd. Bij het berekenen van de relatieve hoeveelheden cokes, ertslading en flux, wordt verwacht dat het siliciumgehalte van de rauwijzer in de eerste paar gietbeurten normaal 2,5% tot 4,5% silicium zal bevatten. Consequent moet de hoeveelheid basische flux dienovereenkomstig gepland worden zodat de slak niet te kalkachtig (viskeus) zal zijn. Naarmate de hoogoven begint normaal te draaien en de warmwindsnelheid wordt verhoogd, zal het siliciumgehalte van de rauwijzer dalen en dan moet additionele flux worden geleverd voor de silice die ongereduceerd in de slak blijft.

Aansteken

Verscheidene verschillende methoden kunnen worden gebruikt om de hoogoven aan te steken. Echter, de een meest gangbare methode op dit moment is het ontbranden van de cokes met warmwindlucht. In deze methode wordt een relatief laag blastvolume eerst gebruikt bij een temperatuur tussen 550 °C en 650 °C en binnen een kwestie van minuten ontbrandt de cokes aanwezig voor deze tuyères. Om deze methode te gebruiken, is het nodig om de warmwindstoven voorverhit te hebben. In een enkele hoogoveninstallatie of in een meervoudige hoogoveninstallatie waar alle hoogoven off zijn, kan dit een probleem presenteren. Frequent waar hoogovengas niet beschikbaar is, worden andere brandstofgassen zoals cokesovengas of aardgas gebruikt om de stoven voor te verwarmen tot het gas van de hoogoven gebruikt kan worden.

Een andere methode, minder frequent gebruikt, is om gemakkelijk ontbrandbaar materiaal voor de tuyères te plaatsen dat met fakels of roodgloeiende staven ontbrand kan worden. De natuurlijke trek door de hoogoven levert normaal voldoende lucht om de temperatuur van de cokes nabij de tuyères tot de verbrandingstemperatuur te brengen, en dan kan een lichte stroom blastlucht worden gestart.

Voordat de hoogoven aangebrand wordt, wordt het gassysteem van de oven geïsoleerd door een goggle-klep, normaal gelegen stroomafwaarts van het gasreinigingssysteem. Het gasreinigingssysteem wordt vanaf deze goggle-klep tot de hoogoven gepurged met stoom of een inert gas. Tijdens de vroege stadia van de opblazen, worden de bloedkleppen aan de top van de oven open gehouden en een purgingsgas in het gasreinigingssysteem gehouden tot de klep die het gasreinigingssysteem scheidt van het hoofdfabrieksgassysteem. Gasreinigingssystemen kunnen variëren van hoogoven tot hoogoven, en soms worden afzonderlijke secties van het gasreinigingssysteem van elkaar geïsoleerd en apart gepurged.

Op veel plaatsen is er geen isolerende klep tussen de stofvanger en de hoogoven en, dus, wordt de stofvanger met stoom gepurged dat geventileerd wordt door de hoogoven-downcomer en uitgeblazen door de hoogoven-bloedkleppen. Wanneer de warmwindsnelheid aan de hoogoven voldoende is verhoogd om een goede, stabiele stroom hoogovengas te handhaven, wordt het purgingsmedium uitgezet en de bloedkleppen gesloten. Wanneer een positieve gasdruk verkregen is tot de isolerende goggle-klep, wordt deze geopend en het gas toegestaan in het hooffgassysteem te stromen. Significante voorzorgsmaatregelen om een explosie te voorkomen moeten door deze hele periode genomen worden, en het gebied rond de hoogoven, het gasreinigingssysteem en de kleppen moeten gemonitord worden op potentiële lekkages van hoogovengas.

Wanneer de hoogoven opgestart wordt, is de warmwindsnelheid slechts een klein fractie van wat het bij normale operatie is. Daarom is het nodig om slechts een paar van de tuyères te openen zodat de snelheid door elke tuyere voldoende is om de warmwind goed in de hoogoven te dragen en om te voorkomen dat de hete gassen langs de wanden opkanaaliseren. Dit wordt normaal bereikt door de tuyères die niet gebruikt worden met kleiballen af te stoppen en ze later open te prikken als de warmwindsnelheid verhoogd wordt. In sommige gevallen worden bussen binnenin de tuyères geplaatst om de diameter van de opening tijdens de vroege stadia van de opblazen te verkleinen. Deze bussen worden dan uitgeschopt wanneer de hogere warmwindsnelheden gebruikt moeten worden. Aanvankelijk wordt de warmwindsnelheid elke paar uur verhoogd zodat aan het einde van de eerste 24 uur, het rond 40% tot 50% van de volle warmwind is. Daarna wordt het ruwweg 25% per dag verhoogd tot de uiteindelijke snelheid bereikt is.

Wanneer de hoogoven gestart wordt, wordt de taphole meestal open gelaten, en een deel van het gas gegenereerd door de verbranding van de cokes verlaat door de taphole. Aanvankelijk moet dit gas ontbrand worden, maar naarmate de warmwindsnelheid toeneemt, verhit het de cokes in de hearth en uiteindelijk ontlaadt het bij een temperatuur hoog genoeg om aan te blijven branden. De taphole blijft doorgaans open tot slak begint te verschijnen. Dit wordt aangegeven door een afname in het gasvolume en een knal of pulsatie aan de taphole. Wanneer dit voorkomt, wordt de modderkanon in positie gezwegen en de taphole gesloten. Elke paar uur daarna wordt de taphole opnieuw geopend om eventuele slak die gevormd is te verwijderen. Op grotere hoogovens met meer dan één taphole, wordt normaal een andere taphole geopend met elke opeenvolgende poging.

Binnen ongeveer 24 tot 28 uur na opstart, wordt de eerste rauwijzer verwacht te worden gegoten. Deze rauwijzer is typisch erg hoog in siliciumgehalte vanwege de lage operatiesnelheid en de hoge verhouding van silice tot ijzeroxide in de grondstoffen in het eerste deel van de hoogovenlading. Naarmate de warmwindsnelheid wordt verhoogd, en de ladingsverhouding (erts tot cokes) het normale operatieniveau benadert, daalt het siliciumgehalte van de rauwijzer. dienovereenkomstig moet de verhouding van flux tot de andere grondstoffen worden aangepast om voldoende basische oxide te leveren om de ongereduceerde silice die naar de slak gaat te fluxen. Over het algemeen, tijdens de opblaasperiode, is het raadzaam om de ladingsverhouding (erts tot cokes) in een bereik te houden dat hoge temperatuur rauwijzer produceert rond 1500 °C om te verzekeren dat een onvoorzien probleem niet zal resulteren in een bevriezing. De warmwindtemperatuur wordt doorgaans niet verhoogd tot de maximumuitvoer van de warmwindstoven tijdens deze periode, aangezien er een reserve nodig is die het in staat stelt additionele warmte in de hearth te introduceren in geval van een noodgeval.