Hoogovenafzetplaats: Beheer van grondstoffen voor ruw ijzer productie

Een hoogovenafzetplaats (stock house) speelt een cruciale rol in de productie van ruw ijzer (hot metal). De hoogoven heeft verschillende grondstoffen nodig: (i) ijzerhoudende materialen zoals gesinterde erts, pelletten en gecalibreerde brokerts (ook sized iron ore genoemd), (ii) brandstoffen en reductiemiddelen zoals hoogovencokes, notencokes en gepulveriseerde kool, (iii) fluxmiddelen zoals kalksteen, dolomiet en kwartsiet, en (iv) diverse additieven zoals mangaanerts en titanijferriete erts. Alle materialen, behalve de gepulveriseerde kool die op tuyèreniveau in de oven wordt geïnjecteerd, worden bovenaan de oven gedoseerd en via de afzetplaats afgehandeld.

Opladesysteem van de hoogoven

Het oplaadsysteem van de hoogoven bestaat uit twee hoofddelen: het afzetplaatsysteem en de bovenste oplaadapparatuur. Het doel is om de grondstoffen nauwkeurig, consistent, voorspelbaar en gecontroleerd in de oven te brengen. In de afzetplaats worden de grondstoffen gewogen en gebatcht voor levering aan de oplaadapparatuur. Deze apparatuur verdeelt de materialen vervolgens over de oven. De afzetplaats moet de juiste hoeveelheden cokes, ijzerhoudende materialen, fluxmiddelen en additieven zo snel mogelijk aan de oven leveren om een optimale prestatie te garanderen.

Functie en indeling van de afzetplaats

De afzetplaats is het gebied waar de individuele grondstofsoorten worden opgeslagen en vervolgens in de voorgeschreven volgorde afgemeten voor transport naar de bovenkant van de hoogoven. In de vroege 1900er jaren bestond een typische afzetplaats uit een diepe put in de grond waar goederenwagentjes de materialen in opslagbunkers lossen. De afzetplaats is verdeeld in drie secties bunkers: cokesbunkers, bunkers voor ijzerhoudende materialen, en bunkers voor fluxmiddelen en additieven. Elk materiaaltype is meestal symmetrisch ten opzichte van de ovenas verdeeld. In de jaren 1920 tot 1950 nam de afzetplaats in omvang toe en werd deze deels boven, deels ondergronds gebouwd om meer materiaalsoorten en grotere volumes te kunnen opslaan.

Historische ontwikkeling van doseringssystemen

Sinds de vroege 1900er jaren werd de dosering en levering aan de skipwagen gedaan met een mobiele weegwagen die onder de bunkers langs reed. Een bediener opende handmatig de bunkerklap en weegde de benodigde hoeveelheid. Naarmate de productie-eisen stegen in de jaren 1980, werd het bestaande weegwagensysteem geüpgraded om de cyceltijd te verkorten. Bunkerklappen werden gemotoriseerd en weegwagens aan een computersysteem gekoppeld dat materialen per gewicht voligde, wat de controle en nauwkeurigheid verbeterde en fysieke arbeid verminderde. De toevoeging van tussenhoppers tussen weegwagen en skipwagens gaf de operator meer tijd om materialen te verzamelen zonder de skipwagens te vertragen.

Geautomatiseerde afzetplaatsen: twee typen

De geautomatiseerde afzetplaats komt in twee fundamenteel verschillende typen voor:

1. Voeder- en bandtransport-systeem: De weegwagen wordt vervangen door vibratoire voeders en bandtransportbanden per grondstofsoort (cokes, ijzerhoudende materialen, fluxmiddelen/additieven). Op de banden zitten rijen opslagbunkers met vibratoire voeders. Voor cokes en ijzerhoudende materialen zit een vibratoire zeef aan het uiteinde van elke band om fijnstoffen te scheiden en het materiaal in weeghoppers te doseren. Dit systeem voedt weeghoppers voor de skipwagens. Zie Figuur 1 voor een typische indeling.
2. Bovengrondse opslagstructuur: Een grote constructie met opslagbunkers volledig bovengronds, ver van de hoogoven. Dit geldt voor ovens waar bandtransportbanden de materialen naar de oven top brengen in plaats van skipwagens. De bunkers worden gevuld via bandtransportbanden. Vibratoire voeders en banden halen materialen uit de bunkers naar weeghoppers, die op hun beurt het materiaal op een verzamelband en vervolgens de hoofdband naar de oven doseren. De weeghoppers zijn geprogrammeerd om de grondstoffen in de juiste volgorde op de hoofdband te leggen.

Automatisering verhoogde de productiecapaciteit, verbeterde de operationele efficiëntie en elimineerde afwijkingen door menselijke en machine-fouten. Een moderne geautomatiseerde afzetplaats kan echter complex zijn. De indeling van banden en apparatuur kan op veel manieren worden geconfigureerd.

Schermen, bewaking en kwaliteitscontrole

Zowel cokes als ijzerhoudende materialen worden doorgaans gezeefd; een afvoerbant haalt de fijnstoffen af. Materialen kunnen bemonsterd, geanalyseerd en door een computersysteem getraceerd worden, zodat de operator de chemische samenstelling van de invoermaterialen precies kan sturen. De vochtgehalte van cokes wordt gemonitord en weegcorrecties worden doorgevoerd om het gewenste droge gewicht in de lading te garanderen. Deze bewaking van zowel koolstofdragende als ijzerhoudende materialen stelt een betere controle van de thermische toestand van de hoogoven in en helpt de algehele brandstofverbruik te verlagen. Zie Figuur 2 voor een vereenvoudigde apparatuurindeling en Figuur 3 voor een schematisch stroomdiagram.

Functies en faciliteiten van een afzetplaats

De afzetplaats, samen met het bovenaf oplaadsysteem, is essentieel voor de gewenste lastverdeling in een moderne hoogoven. De afzetplaats maakt multifractie-dimensionering van cokes en ijzerhoudende last mogelijk, inclusief gezeefde of niet-gezeefde ondermaat, evenals flexibele portionering van verschillende korrelgrootten. Dit is de basis voor efficiënte toepassing van het oplaadsysteem, een voorwaarde voor geavanceerde hoogovenbedrijfsvoering.

De functies zijn: (i) ontvangen van materialen vanuit opslag- of productie-eenheden (meestal via banden), (ii) voldoende opslagcapaciteit bieden, (iii) ontladen van lastmaterialen in de gewenste volgorde en snelheid om aan de hoogoven-eisen te voldoen, (iv) voorbereiden door zeven en in de gewenste hoeveelheden en lagen op de band leggen voor transport naar de skip of band die de materialen naar de bovenaf oplaadapparatuur brengt.

Afgewogen materialen worden in batchmodus verzameld, beheerd door een oplaadprogramma, en naar de oventop gebracht via skipwagen of bandtransportband. De keuze tussen skip of band hangt af van de ovengrootte, productiviteitseisen en beschikbare terreinindeling. De materialen worden door de bovenaf oplaadapparatuur in de oven gebracht, ook bestuurd door het oplaadprogramma.

De afzetplaats is cruciaal voor efficiënte hoogovenbedrijfsvoering, omdat de productie van het gewenste ruw ijzer niveau grotendeels afhangt van kwaliteit, consistentie, hoeveelheid en voedingsvolgorde van de grondstoffen.

Grondstofafhandeling en opslag

Lastmaterialen komen via een samenvoegingsgebouw (junction house) in de afzetplaats. Hoogovencokes wordt meestal door twee banden (één reserve) van vereiste breedte en capaciteit afgehandeld. Hetzelfde geldt voor ijzerhoudende lastmaterialen. Fluxmiddelen en additieven worden doorgaans door één reserveband afgehandeld. De afzetplaats heeft doorgaans een aantal opslagbunkers met benodigde totale capaciteit per lastmateriaal.

Cokes en ijzerhoudende materialen worden gezeefd in zeven van vereiste capaciteit voor het verwijderen van fijnstoffen. Vibratoire zeven worden hiervoor gebruikt. Voor fluxmiddelen en additieven zijn meestal geen vibratoire zeven, alleen voeders voor ontlading uit de bunkers en dosering op de band. Sommige ovens hebben dubbele zeefinrichtingen. Voor cokes worden doorgaans gelocherde plaatzeven gebruikt; voor ijzerhoudende materialen roosterzeven.

Het gezeefde materiaal gaat via een horizontale band naar een hellende band voor lasttransport naar boven. Elk materiaal wordt simultaan door twee weeghoppers volgens het vooraf vastgelegde oplaadprogramma gedoseerd. Banden of skips voor lasttransport naar boven hebben de benodigde capaciteit en werken continu. Bij banden worden materialen in afzonderlijke batches op vaste intervallen en in een bepaalde volgorde op de band geplaatst. Een volledig geautomatiseerd systeem voor batchen, wegen en doseren naar de oventop is standaard. Alle apparatuur in de afzetplaats is gedimensioneerd op basis van berekeningen met besturingsfilosofie en timing-cyclogrammen.

Stofcontrole en milieu

De afzetplaats is uitgerust met alle benodigde stofcontrole-installaties om stofemissies te beperken volgens milieuvoorschriften. De afzuiglucht wordt doorgaans naar een luchtzuiveringsinstallatie van voldoende capaciteit geleid voor reiniging voordat deze in het milieu wordt gelaten. De luchtzuiveringsinstallatie is meestal uitgerust met elektrostatische afscheiders. De stofconcentratie wordt normaal gereduceerd tot 0,1 gram/m³. De verzamelde stof wordt doorgaans in de granuleringsinstallatie gebalanceerd voor hergebruik in de sinterinstallatie.

Ontwerpoverwegingen voor een grote hoogoven

De volgende stappen zijn nodig voor het dimensioneren van de afzetplaatsapparatuur:

• De ruw ijzer capaciteit in ton/dag wordt bepaald op basis van het nuttige volume en de productiviteit van de hoogoven.
• Kwaliteiten en typen grondstoffen (gecalibreerde brokerts, sinter, pelletten, cokes, notencokes, kalksteen, dolomiet, mangaanerts, titanijferriete erts) worden bepaald. In grote ovens worden meestal twee sinterformaten gebruikt: normaal 10-30 mm en klein 5-10 mm. Voor cokes ook twee formaten: 50-75 mm voor centrum-lading en 25-50 mm voor randlading. De randcokes komen eerst op de band, direct gevolgd door de centrumcokes. De bell-less top apparatuur indexeert van de ovenwand naar het centrum en verdeelt de cokes volgens behoefte. Brokertsformaat is normaal 10-30 mm, pelletten 8-16 mm, notencokes 8-25 mm, kalksteen/dolomiet/kwartsiet 6-30 mm.
• Voor flexibiliteit in ijzerhoudende lastlading worden alle drie ijzerhoudende materialen meegerekend met een typische verhouding sinter:erts:pelletten = 70:15:15. De berekening houdt rekening met kwaliteit en verwachte specifieke consumptie.
• Een waarde voor het totale brandstofverbruik (kg/tHM) moet worden overwogen. Aangezien drie brandstoffen worden gebruikt, worden drie alternatieven overwogen: (i) cokesverbruik zonder gepulveriseerde koolinjectie, (ii) cokesverbruik met injectie, (iii) notencokesladering.
• De oplaadvolgorde moet worden overwogen bij de planning. Meestal bestaat een lading uit twee batches: batch 1 bevat cokes (centrum en rand), batch 2 bevat ijzerhoudende materialen, fluxmiddelen, notencokes en additieven.
• Erts- en cokeslaagdikte (in mm) aan de keel van de hoogoven zijn belangrijke ontwerpparameters. Normaal wordt een ertslaag van 700 mm overwogen. Voor cokes geldt doorgaans 700 mm bij 'all coke' lading. Bij gepulveriseerde koolinjectie is de cokeslaagdikte meestal 500 mm. Hierdoor wordt het volume van grondstoffen belangrijk. Aangezien de ruw ijzer productie afhangt van het gewicht van de geladen grondstoffen, is het aantal ladingen per dag een cruciale factor. Het aantal ladingen bepaalt de beschikbare tijd in de afzetplaats om elke batch te vormen.
• Het aantal bunkers en hun dimensionering hangt af van de benodigde opslagvolume (gebaseerd op aantal dagen verbruik) per grondstof.
• Bunkers moeten ook worden voorzien voor de fijnstoffen die na zeven vrijkomen.
• 'Catch-up rate' of 'force filling factor' is de verhouding tussen het aantal beschikbare ladingen per dag (op basis van apparatuurontwerp) en het aantal benodigde ladingen per dag voor de doelproductie. Typische waarde is 1,3.
• Op basis van de beschikbare tijd per batchvorming voor cokes en ijzerhoudende materialen, wordt het totale aantal apparaten (vibratoire voeders, zeven, weeghoppers, etc.) dat tegelijkertijd werkt, bepaald.
• Er wordt een cyclogram ontwikkeld rekening houdend met de bovenaf oplaadapparatuur (bell-less top) en de bedrijfstijd van alle afzetplaatsapparatuur. Cyclogrammen worden opgesteld na berekening van de bedrijfstijd van alle apparatuur en de totale tijd per batch. Meestal worden twee cyclogrammen gemaakt: één met 'normale snelheid' en één met 'catch-up snelheid'.
• Alle apparatuur (klappen, vibratoire voeders, zeven, weeghoppers, bandtransportbanden inclusief de hoofdladerband die in de ontvangsthoppers van de bovenaf oplaadapparatuur uitkomt) wordt gedimensioneerd. De dimensionering is gebaseerd op de voorkeur voor cokeslading (met of zonder injectie van gepulveriseerde kool) en flexibiliteit voor de andere optie is in het ontwerp voorzien.

Lastbeheer in afzetplaats en oven top

Moderne hoogovens worden geïnstalleerd met veel variaties in lastmaterialen; soms zijn er rond 50 alternatieve materialensoorten in het ladingsysteem. De operator moet de ladingsmatrix configureren met plant-specifieke regels die in de applicatiesoftware zijn geprogrammeerd.

De complexiteit van de operatormatrix wordt gevalideerd door verschillende validatieregels voordat deze naar het actieve ladingsprogramma wordt gedownload, met aandacht voor foute invoer en abnormale condities in de afzetplaats. De operatormatrix kan op elk moment naar de actieve matrix worden gedownload. Extra cokes kan op elk moment worden geladen. Elke batch kan in 11 posities in de oven worden verdeeld; deze verdeling is geparametriseerd in het HMI-scherm van de afzetplaatsmatrix door de operator.

Er zijn diverse stand-by matrices voor verschillende ovencondities in de software ingebouwd, wat operationele flexibiliteit toevoegt. Er is ook flexibiliteit om elk materiaal in elke bunker te plaatsen; de afzetplaats kan dus draaien onder condities van inactieve hoppers door de inname in actieve hoppers aan te passen. Weeghoppers kunnen tijdens de uitvoering van een batch automatisch worden geselecteerd. Een volledig geautomatiseerd afzetplaats-vulsysteem door het grondstofafhandelingssysteem zorgt voor een soepel werkend voedingssysteem.

Afhankelijk van het ontwerp kan het systeem in 'weeg-in filosofie' of 'weeg-uit filosofie' werken. De software compenseert weegfouten in de vulvolgorde in de direct volgende batch voor dat specifieke materiaal. De operator kan ook de sandwich-ladingsfilosofie selecteren tijdens het ontladen uit de weeghoppers. Door de operator gedefinieerde controle van de tussenruimte tussen twee opeenvolgende batches kan worden ingevoerd om de transporttijd naar de oven top te optimaliseren en afschakeling van de hoofdladerband te voorkomen.