Betriebspraktiken und Kampagnenleben eines Hochofens

Betriebspraktiken und Kampagnendauer eines Hochofens

Die Kosten für den Umbau oder die Neuzustellung eines Hochofens (BF) sind sehr hoch. Daher sind Techniken zur Verlängerung der Lebensdauer von BF-Kampagnen wichtig und müssen sehr aktiv verfolgt werden.

Große BFs haben in der Regel einen etwas höheren Kampagnenoutput pro Volumeneinheit. Dieser Unterschied liegt daran, dass größere BFs im Allgemeinen moderner gestaltet und gut automatisiert sind. Denn die Lebensfähigkeit eines integrierten Stahlwerks hängt von einer kontinuierlichen Versorgung mit Roheisen (HM) ab, was in einem Werk mit einer kleinen Anzahl großer Öfen großen Wert auf eine lange Lebensdauer legt.

Die Techniken zur Verlängerung der Lebensdauer der BF-Kampagne (Abb. 1) fallen unter die folgenden drei Kategorien.

• Betriebspraktiken – Die Kontrolle des BF-Prozesses hat einen großen Einfluss auf das Kampagnenleben. BF soll nicht nur betrieben werden, um den Produktionsbedarf zu decken, sondern auch um seine Lebensdauer zu maximieren. Daher ist es notwendig, die Betriebspraktiken im Laufe der Kampagne und als Reaktion auf die Problembereiche für die Maximierung der Kampagnenlebensdauer zu ändern.
• Abhilfemaßnahmen – Sobald ein Verschleiß oder Schaden, der die Lebensdauer des BF beeinträchtigt, offensichtlich wird, müssen technische Reparaturtechniken verwendet oder entwickelt werden, um die Lebensdauer der Kampagne zu maximieren.
• Verbesserte Designs – Wenn verbesserte Materialien und Ausrüstungen entwickelt werden, sollen diese in zukünftige Umbauten integriert werden, um die Lebensdauer kritischer Bereiche des BF zu verlängern, wo dies kosteneffektiv ist.

Abb. 1 Techniken zur Verlängerung der Lebensdauer von Hochöfen

Betriebspraktiken für eine verbesserte Kampagnenlebensdauer werden in diesem Artikel erörtert. Die Betriebspraktiken, die sich auf die BF-Kampagnenlebensdauer auswirken, werden unten beschrieben.

Produktivität

Die Produktivität eines BF wird normalerweise in Tonnen (t) HM pro Einheit BF-Volumen (cum) pro Tag ausgedrückt. Eine hohe Produktivität beinhaltet einen erhöhten Materialdurchsatz bei höheren Abstiegsraten eine erhöhte Herdaktivität, um die größere Menge flüssiger Produkte zu entfernen Die Stabilität des Betriebs wird beeinträchtigt, wenn der BF stark gefahren wird, dann ist der Möllerabfall weniger glatt und die Schmelzzone ist höher Dies wirkt sich auf den Verschleiß der BF-Wand aus Der erhöhte Durchsatz von Flüssige Produkte beschleunigen den Herdverschleiß und führen zu schwierigeren Abstichlochbedingungen.

Niedrige Produktivität beinhaltet längere Zeiträume mit niedrigem Heißwindvolumen, was zu einer verringerten Strahldurchdringung und einem erhöhten Gasfluss die BF-Wand hinauf führt, es sei denn, es werden geeignete Änderungen an der Lastverteilung vorgenommen. Lange Produktionspausen in der Regel wirken sich nachteilig auf den Herdzustand aus.

Wenn man das Produktivitätsniveau der BFs betrachtet, die ein langes Kampagnenleben erreicht haben, ist es klar, dass diese BFs für den Großteil der Kampagne nicht ihr maximales Potenzial ausgeschöpft haben Faktor ist ein stabiler, konsistenter Betrieb mit Praktiken zur Überwachung und zum Schutz der Wände und des Herds. Ein solcher Betrieb ist bei Produktionsniveaus unterhalb der maximalen Leistung leichter zu erreichen. Es ist jedoch schwierig, einen universellen Wert für den Produktivitätsindex (t/cum/ Tag), um dies zu erreichen, da der Index auch von mehreren anderen Faktoren als der Fahrgeschwindigkeit des BF beeinflusst wird. Dies sind die innere Form des BF, der Zustand des feuerfesten Verschleißes, die örtlichen Betriebsbedingungen und die Wartungszeiten usw.

Zur Maximierung der Kampagnenlebensdauer ist eine Strategie erforderlich, die einen stabilen und kontrollierten Betrieb des BF ermöglicht. Bei vielen BF-Umbauten wurde das Innenvolumen erhöht, nicht um die Leistung zu erhöhen, sondern um Produktionsziele bei niedrigeren Produktivitätsniveaus zu erreichen und somit das Potenzial für einen stabileren Betrieb und eine längere Lebensdauer der Kampagne zu bieten.

Es ist eine Tatsache, dass häufige Stopps eines BF seine Produktivität verringern, aber auch die Kampagnenlebensdauer aufgrund der übermäßigen Anzahl von Stopp-/Startvorgängen verringert wird. Die Kampagnenleistung pro Volumeneinheit wird reduziert überproportional zur prozentualen Ausfallzeit. Lange Kampagnen, gemessen an diesem Kriterium, lassen sich am besten mit kontinuierlichem Betrieb von BF ohne längere Unterbrechungen erreichen.

Kurzfristige Reduzierungen der Produktivität sind auch erforderlich , um sich um die auf dem BF identifizierten Problembereiche zu kümmern, um die Integrität des Ofens zu schützen und dadurch ein vorzeitiges Ende der Kampagne zu vermeiden.

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Belastung

Für einen stabilen Betrieb von BF bei angemessener Produktivität ist Koks von guter Qualität erforderlich. Tatsächlich ist Koks einer der Hauptgründe für die schlechte Betriebsdauer. Schlechte Betriebszeiten sind oft die Folge unberechenbare und sogar unterkühlte Operationen, die potenziell zerstörerisch für die BF-Auskleidung und damit für das Leben der Kampagne sind.

Koks muss stark und stabilisiert sein, um das Gewicht der Charge mit minimalem mechanischen Abbau zu tragen. Er muss ausreichend groß und eng bemessen sein, mit einem Minimum an Feinanteilen, um ein durchlässiges Bett zu schaffen, durch das hindurch Flüssigkeiten können in den Herd tropfen, ohne die aufsteigenden Gase einzuschränken. Eine einheitliche Größe ist erforderlich, um unerwünschte Schwankungen der Permeabilität zu vermeiden und das Konzept der variierenden Koksschichtdicke über den BF-Radius zu unterstützen, um den radialen Gasfluss zu steuern. Der Koks muss ausreichend sein reagiert nicht auf Lösungsverlust, behält unter solchen Bedingungen seine Festigkeit und ist arm an Alkalien, um die Alkalivergasung im Kanal zu minimieren, die eine schädliche Wirkung auf den Koksabbau und auf feuerfeste Materialien des Ofens hat.Koksfeuchtigkeit und Kohlenstoffgehaltsschwankungen müssen kontrolliert werden, um sie zu minimieren ihre Auswirkung auf den thermischen Zustand des Prozesses.

Bei hohen Niveaus der Einspritzung von Kohlenwasserstoffen in die Blasdüse gibt es eine entsprechende Verringerung des Anteils an zugeführtem Koks, und folglich wird die Koksqualität sogar noch wichtiger.

Eine universelle Koksqualität für einen stabilen Betrieb, der mit einer langen Lebensdauer des Hochofens vereinbar ist, ist schwer zu spezifizieren, da nicht nur unterschiedliche Betriebstypen unterschiedliche Koksanforderungen haben, sondern auch physikalische Eigenschaften entsprechend variieren Probenahmestelle zwischen den Koksöfen und dem BF.

Im Fall der Verwendung von Koks aus mehr als einer Quelle ist entweder eine angemessene Mischung erforderlich oder die getrennte Zugabe der verschiedenen Kokse ist unerlässlich, da schwankende Anteile von Koks mit unterschiedlichen Eigenschaften zu instabilen Bedingungen im Koks führen BF.

Koks im BF-Zentrum ersetzt allmählich den Totmann und den Koks im Herd, der durchlässig bleiben muss, damit die Flüssigkeiten über die Mitte des Herds abfließen können. Dies vermeidet einen übermäßigen peripheren Fluss von HM im Herd, was zu starkem feuerfesten Verschleiß an der Basis der Seitenwand führen kann Ein Anstieg der Temperatur in der Mitte der Herdplatte wird normalerweise mit einer Zunahme der Totmann-Koksgröße beobachtet, was auf eine erhöhte Aktivität in der Mitte des Herds hinweist der Kokssiebe stellt einen wichtigen Parameter für die Aufrechterhaltung der Herddurchlässigkeit dar. Es ist in der Regel vorteilhaft, die Siebgröße zu erhöhen und den zusätzlich entstehenden kleinen Koks, der sich mit der Erzfracht vermischt, von der BF-Mittellinie entfernt aufzugeben.

Das Ziel der Verwendung von Koks hoher Qualität besteht darin, sicherzustellen, dass großer Koks die unteren Bereiche des BF erreicht. Um dies zu überwachen, ist es wünschenswert, dass der Koks von Zeit zu Zeit auf Höhe der Düse entnommen wird zur Beurteilung des Koksabbaus durch den Ofen. Dies wird normalerweise während der geplanten Wartung durchgeführt. Eine große Koksprobe wird aus einer Blasdüsenöffnung geharkt und ihre Eigenschaften werden mit einer Probe des entsprechenden Beschickungskokses verglichen. Auf diese Weise werden andere Faktoren beeinflusst Koksgröße kann ebenfalls identifiziert werden.

Koks von guter, gleichbleibender Qualität und die Überwachung sowohl von Stock-Line- als auch von Bosh-Cola ist eindeutig eine wichtige Strategie für eine lange Lebensdauer der Kampagne.

Erzbelastungsmischung

BFs werden mit einer Vielzahl von Erz-Müll-Komponenten wie Sinter, Pellets und klassiertem Eisenerz (SIO) usw. betrieben. Im Erz-Müll werden auch eine Vielzahl von Flussmitteln verwendet.

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Kleinere Mengen anderer Materialien wie wiedergewonnener Schrott, Feineisen, Walzzunder, Konverterschlacke, Ilmenit, recycelter Abfall oder sogar direkt reduziertes Eisen oder granuliertes Eisen werden manchmal auch in der Erzlast verwendet. Die Verwendung dieser Materialien hängt normalerweise von lokalen Faktoren ab.

Integrierte Stahlwerke haben normalerweise Sinteranlagen, daher verwenden BFs in diesen Werken einen großen Anteil an Sinter in der Charge, wobei der Rest der Charge hauptsächlich aus SIO und/oder Pellets besteht. Pellets werden bevorzugt gegenüber SIO in manchen Anlagen für den Ausgleich der Belastung wegen ihrer überlegenen Eigenschaften.

Auf der ganzen Welt schwankt der Pelletprozentsatz in der BF-Belastung zwischen 0 % und 100 %. Die Erfahrung in verschiedenen Anlagen hat gezeigt, dass BFs, die einen hohen Prozentsatz an Pellets verwenden, im unteren Bereich stärkere Schwankungen der Wärmelast erleiden Stack-and-Bosh, was zu übermäßigem Stack-and-Bosh-Verschleiß und einer kürzeren Lebensdauer der Kampagne führt.Einer der Gründe dafür ist die unzureichende Kontrolle der Lastverteilung.Pellets haben einen viel geringeren Böschungswinkel als Sinter oder Koks und, wenn sie auf einem landen geneigte Materiallinie, neigen dazu, leicht zu rollen. Dies führt zu einer relativ dicken Erzschicht in Richtung des BF-Zentrums, was einen übermäßigen Gasfluss an der Wand des BF fördert.

Diesem Umstand wird durch den Einbau einer hochdichten Kühlung im Unterschacht und einer verbesserten Möllerverteilung entgegengewirkt. Schwankende niedrigere Daubentemperaturen, verstärkter Schlupf und HM-Temperaturschwankungen sind bei Pelletschargen zu beobachten ist durch Möllerregelung zu steuern, mit zentraler Koksbeschickung und Zugabe von Nusskoks zu den Pellets.

Ein wichtiger Aspekt der individuellen Möllerkomponente sind die Erweichungs- und Schmelzeigenschaften. Der Hauptteil des Druckabfalls über einem BF findet in dem Bereich statt, in dem die Erzmöller erweichen, schmelzen und heruntertropfen das Koksbett, durch das die Gase aufsteigen Ein breiter Schmelz- und Erweichungsbereich verursacht einen erhöhten Druckabfall und eine große Kohäsionszonenwurzel, die auf das untere Schachtmauerwerk auftrifft, wobei die feuerfesten Materialien über einen größeren Bereich als wünschenswert hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Eine niedrigere Wandtemperatur und/oder weniger thermische Schwankungen helfen, die Lebensdauer des Schachtmauerwerks zu verlängern.

Die Schmelz- und Erweichungseigenschaften einer mehrkomponentigen Masse unterscheiden sich von denen der einzelnen Komponenten. Daher sind die Erweichungs- und Schmelztestdaten nicht nur für die einzelnen Massebestandteile, sondern auch für die zu berücksichtigen vorgeschlagene Erzmischung zur Unterstützung der Erzbelastungsauswahl.

Zur Minimierung thermischer und chemischer Schwankungen ist eine homogene Beschickung wünschenswert. Die Beschickungskomponenten sollten möglichst innig vermischt werden. Dies hängt von der Anzahl der Beschickungskomponenten und dem individuellen Beschickungssystem ab kann in der Regel durch die Auswahl der Lagerbunker und die Reihenfolge des Materialaustrags in vertretbarem Umfang erreicht werden.

Es ist möglich, mit unterschiedlichen Belastungen einen stabilen BF-Betrieb und eine lange Lebensdauer der Kampagne zu erreichen, vorausgesetzt, die Materialqualität ist konsistent und es stehen eine ausreichende Wandkühlungskapazität und eine ordnungsgemäße Verteilungskontrolle zur Verfügung. 

Qualität der Erzlast

Ein durchlässiger BF  ist für einen stabilen Betrieb erforderlich. Es ist wichtig, dass die Erzlast stark, eng bemessen und effizient abgesiebt ist, um Feinanteile zu entfernen. Sie darf sich nicht übermäßig im Stapel auflösen und zusätzliche Feinanteile erzeugen Es muss ausreichend porös, reduzierbar und so groß sein, dass es bis zum Erreichen der Erweichungszone effektiv reduziert werden kann, so dass die Kohäsionszone weniger einschränkend ist, weniger FeO-reiche Schlacke und die thermische Belastung geringer ist Regionen des BF ist niedriger, was einen reibungslosen Betrieb fördert.

Die Erweichungs- und Schmelzeigenschaften der Erzkomponenten haben einen wichtigen Einfluss auf den Betrieb des BF. Einschränkungen in der Kohäsionszone und schlechte Schmelzeigenschaften können zu einem unregelmäßigen Abstieg der Last, einem instabilen Betrieb und Thermik führen Schwankungen. Diese Bedingungen verkürzen wahrscheinlich die Lebensdauer der BF-Wand.

Es gibt keinen standardisierten Erweichungs- und Schmelztest und es werden viele Indizes angegeben, um die Erweichungs- und Schmelztemperaturen darzustellen, wie z.

Lastenverteilung

Die Lastverteilung ist einer der Hauptfaktoren, die die Kampagnenlebensdauer des BF beeinflussen. Sie kann nicht nur die Stabilität des Betriebs beeinflussen, sondern durch die Bestimmung des radialen Gasflusses im BF ist sie es auch einer der Hauptfaktoren, der die Abnutzungsrate der BF-Wände steuert.

Im Allgemeinen wird der radiale Gasfluss durch das Erz-zu-Koks-Verhältnis in der Beschickung gesteuert, da die Koksgröße normalerweise größer ist. Dies wird normalerweise erreicht, indem das Material in diskreten Schichten geladen und die Schichtdicke variiert wird Der Radius des BF. Der Schutz der BF-Wände wird daher durch eine Erhöhung des Anteils der Erzschicht an der Wand erreicht, was zu einer geringeren Wärmeabfuhr durch das Wandkühlsystem führt. Der Anteil ist jedoch begrenzt von Erzmaterial in der Nähe der BF-Wand, um die Bildung einer inaktiven Schicht zu vermeiden, die die Bildung von Wandansätzen begünstigen und eine unvorbereitete Belastung in die unteren Bereiche des BF ermöglichen und die Blasdüsenverluste erhöhen kann der BF muss ausreichend sein, um einen stabilen BF-Betrieb auf dem gewünschten Produktionsniveau zu ermöglichen Ein großer Koksanteil erzeugt einen relativ durchlässigen Bereich mit weniger absteigenden Flüssigkeiten, was die Verwendung des maximalen Sprengvolumens ermöglicht hout große Schwankungen im Explosionsdruck und ungleichmäßigen Abstieg der Last.

Der Koks in der Mitte des BF ersetzt den Koks im Herd und ein koksreiches durchlässiges Zentrum fördert einen durchlässigen Herd, der den Flüssigkeitsfluss durch den Herd in Beziehung setzt. Der zentrale Kokskamin ist es nicht unnötig breit zu sein.  In einem solchen Fall führt dies zu Ineffizienz, und es können Schäden an bestimmten Teilen der Ofendecke aufgrund einer übermäßig hohen Wärmekapazität des aufsteigenden Gases entstehen.

Split-Size-Aufladung

Anspruchsvollere Verteilungssysteme ermöglichen eine zusätzliche Steuerung der Belastungsverteilung durch Verwendung von mehr als einem Größenbereich eines gegebenen Materials. Eine der am häufigsten verwendeten Praktiken ist das Chargieren von feinen Erzmaterialien, oft aus Siebgut der Haupterzlast. Feinanteile werden separat in kleinen Mengen in der Nähe der BF-Wand aufgebracht, um eine lokale Reduzierung der Durchlässigkeit zu erreichen und dadurch die Wände zu schützen. Das Laden einer separaten kleinen Charge von feinerem Material reduziert normalerweise die Ladekapazität des BF.

Nuss-Cola

Ein flexibles Beschickungssystem ermöglicht die Verwendung von Nusskoksnuss (typische Größe liegt im Bereich von 10 mm bis 30 mm). Die Beschickung mit Nusskoks, der in die Erzlast gemischt und entlang des mittleren Radius angeordnet ist, verbessert den Betrieb, indem die Reduktionseffizienz und die Durchlässigkeit der Erzschicht in der Kohäsionszone verbessert werden. Es gibt eine verbesserte Durchlässigkeit und reduzierte Bauchtemperaturen bei Nusskoksbeschickung. Der an der Wand aufgegebene Nusskoks, der sandwichartig zwischen den beiden Erzchargen liegt, verhindert einen inaktiven Wandbereich, wenn Feinerz an der Wand aufgegeben wurde. Den Pellets wird Nusskoks zugesetzt, um ihren Schüttwinkel zu vergrößern und damit den Anteil der Erzlast am BF-Zentrum zu verringern.

Größentrennung

Viele Beschickungssysteme erzeugen ein gewisses Maß an Größentrennung in den Eingangsmaterialien. Wenn das auszutragende Ausgangsmaterial feiner und das Endmaterial gröber ist, kann diese Eigenschaft genutzt werden, um die radiale Größenverteilung und damit die radiale Gasströmungsverteilung zu fördern. Diese Art der Segregation tritt im Allgemeinen eher bei Öfen mit Bandbeschickung als bei Öfen mit Skip-Beschickung auf und ist mit einem glockenlosen Oberteil besser kontrollierbar. Das Beschickungssystem kann auch durch geeignete Modifikationen ergänzt werden, um die gewünschten Entmischungseigenschaften zu verbessern.

Eine zusätzliche radiale Grßentrennung kann auch auftreten, indem eine geneigte Stoffbahn heruntergerollt wird. Die Größentrennung kann auch die Schmelz- und Erweichungseigenschaften der Beschickung entlang des BF-Radius modifizieren, wenn eine Komponente einen anderen Größenbereich und eine andere Chemie aufweist.

Einige Ladesysteme führen zu einer Umfangsvariation in der Lastverteilung. Diese Schwankungen müssen durch Design oder Betrieb minimiert werden.

Koksbeschickung zentral

Im BF-Zentrum wird normalerweise eine große Koksmenge benötigt, um eine ausreichende Zentrumsarbeit für einen stabilen Betrieb zu fördern. Dies gilt insbesondere bei höheren Produktivitäten und beim Betrieb mit hohen Niveaus der Kohlenwasserstoffeinspritzung in die Blasdüse. Der Betrieb mit vollständig Koks in der Mitte des Ofens ist jedoch weniger brennstoffeffizient, und es wurden Techniken entwickelt, um die Breite dieses Bereichs der mittleren Koksbeschickung zu minimieren. Bei einem glockenlosen Aufsatz wird dies erreicht, indem eine kleine Ladung Koks bei vollständig abgesenkter rotierender Rutsche eingefüllt wird.

Im Herd ist ein durchlässiges Koksbett erforderlich, um den Fluss von Flüssigkeiten über die Mitte des Herds zu fördern und den peripheren Fluss zu verringern, der einen übermäßigen Seitenwandverschleiß verursachen kann. Der Koks im Totmannofen wird nach und nach durch Koks aus der Ofenzentrale ersetzt. Die Beschickung mit Koks im Zentrum reduziert den Prozentsatz an Erzmaterial im BF-Zentrum und verbessert die Herddurchlässigkeit. Die Herddurchlässigkeit kann durch größere stabilisierte Koksbeschickung in der Mitte weiter verbessert werden.

Lebensdauer des Kehlschutzes

Für eine lange Einsatzdauer ist es wichtig, den Verschleiß des festen Halsschutzes, der durch den direkten Aufprall von Belastungsmaterialien verursacht wird, zu minimieren. Obwohl es möglich ist, den Halspanzer zu reparieren oder Schutzplatten einzubauen, kann dies lange Wartungsunterbrechungen nach sich ziehen, die ihrerseits der Ofenlebensdauer abträglich sein können. Daher sind die Belastungsverteilung und die verwendete Bestandslinienhöhe so zu wählen, dass solche Belastungsauswirkungen vermieden werden.

Heiße Metallqualität

Beim Betrieb ohne Schutzschädel im Herd wird der Herdkohlenstoff gewöhnlich durch Lösungsangriff von Eisen und Schlacke entfernt. Eine frühzeitige Aufkohlung des Eisens, bevor es mit dem feuerfesten Material des Herds in Kontakt kommt, minimiert einen solchen Herdverschleiß.

Für eine frühe Aufkohlung ist eine längere Kontaktzeit zwischen Flüssigkeiten und Koks erforderlich. Bei einer gegebenen Produktivität kann dies durch eine größere Tropfzone und einen Totmann mit einer höheren Kohäsionszone gefördert werden. Dies führt normalerweise zu einer Zunahme von HM-Silizium (Si). Im Allgemeinen nimmt der Kohlenstoffsättigungsgrad mit zunehmendem Si-Gehalt ab. Infolgedessen ist HM bei höheren Si-Niveaus näher an der Sättigung, für eine gegebene BF-Größe und die HM-Temperatur.

Außerdem erhöht eine Erhöhung von HM Si die Liquidustemperatur von HM und verringert dadurch seine Fließfähigkeit. Dies neigt dazu, die Strömungsgeschwindigkeit im Herd zu verringern und die Bildung einer verfestigten Schicht auf dem feuerfesten Material des Herds zu fördern.

Bei niedrigeren HM-Temperaturen ist der Kohlenstoffsättigungsgrad des Eisens niedriger und wird früher erreicht. Eine niedrige HM-Temperatur hat den zusätzlichen Vorteil einer erhöhten Eisenviskosität, die den peripheren Fluss reduziert und die Tendenz verringert, schützende Schädel aufzulösen und in feine Risse und Poren einzudringen.

Eine höhere HM-Si- und eine niedrigere HM-Temperatur sind zusammen schwer zu erreichen, da eine Zone mit höherer Kohäsionskraft normalerweise zu einem wärmeren Ofen führt, aber der Gesamteffekt besteht darin, dass das in den Herd eintretende HM näher an die Kohlenstoffsättigung herankommt. Eine Verringerung des hohen Kopfdrucks führt wahrscheinlich zu einem leichten Anstieg von Si, ohne den thermischen Zustand des BF zu beeinflussen. Die Wahrscheinlichkeit der Auflösung von Herdkohlenstoff ist bei höheren Si-Gehalten geringer.

Düsendurchmesser

Der Winddüsendurchmesser wird so gewählt, dass er für gegebene Betriebsbedingungen eine angemessene Strahldurchdringung sicherstellt und verhindert, dass übermäßig viel Gas an den BF-Wänden aufsteigt. Die Auswahl der Blasdüsengröße beeinflusst den Grad der Mittenarbeit des BF und den Grad des Schutzes der Bosh- und unteren Schachtwände. Es ist normalerweise notwendig, den Winddüsendurchmesser um den BF herum zu variieren, um eine umfangsmäßige Balance des Gasflusses zu gewährleisten.

Obwohl Düsengrößen sorgfältig ausgewählt werden, wird oft eine signifikante Zunahme des Durchmessers beobachtet, wenn eine Düse ausgetauscht wird, insbesondere wenn eine lange Lebensdauer erreicht wird. Dies wirkt sich auf beide oben genannten Faktoren aus, und es ist im Hinblick auf die Lebensdauer der Kampagne vorteilhaft, Düsen nach einem bestimmten Zeitraum auszutauschen, nicht nur um die Auswirkungen des Düsenverschleißes zu minimieren, sondern auch um die Wahrscheinlichkeit eines Wassereintritts in den BF und die Anzahl ungeplanter Abschaltungen zu verringern Explosionsperioden, um ausgefallene Blasdüsen auszutauschen.

Der Durchmesser von Blasformen direkt über dem Abstichloch wird häufig reduziert oder die Blasformen sogar geschlossen, um ein glattes Gießen zu fördern und die Eisenbildung über dem Abstichloch zu reduzieren.

Der Blasdüsendurchmesser wird häufig als Reaktion auf hohe Seitenwandtemperaturen des Herds lokal verringert, um die tropfenden Flüssigkeiten und die Herdaktivität in dem Problembereich zu verringern. Dies erfolgt durch Hinzufügen von Düseneinsätzen oder durch Düsenaustausch. In schweren Fällen oder als kurzfristige Notfallmaßnahme können die betreffenden Blasdüsen durch Verstopfen mit Ton verschlossen werden. Dies wirkt sich oft schnell auf die Reduzierung der entsprechenden Herdseitenwandtemperaturen aus.

Gießhauspraktiken

Gießhauspraktiken spielen eine wichtige Rolle bei der Steuerung des Flüssigkeitsflusses im Herd und der Vermeidung hoher Flüssigkeitsstände, die auf die Laufbahn auftreffen, die Strahlverteilung beeinträchtigen oder sogar Schäden an Blasform oder Blasrohr verursachen können. Diese Faktoren können die Stabilität des Betriebs beeinträchtigen, zu Explosionspausen führen und möglicherweise die Lebensdauer der Kampagne beeinträchtigen.

Hahnlochlänge

Bei einem längeren Abstichloch werden die geschmolzenen Produkte nicht nur von unten in den Herd gezogen, sondern auch von einem Punkt, der näher an der Mitte des Herds liegt. Dies verringert die periphere Strömung in der Nähe des Abstichlochs und somit den Verschleiß der Herdseitenwand. Um die Abstichlochlänge zu verlängern, ist es notwendig, die Menge an Abstichlochmasse, die über einen Zeitraum eingespritzt wird, zu erhöhen, um die Größe des Pilzes auf der Innenseite des BF schrittweise zu erhöhen, was auch das feuerfeste Material unter dem Abstichloch schützt. Bei einer kurzen Abstichlochlänge und abwechselndem Gießen aus weit beabstandeten Abstichlöchern nehmen die Seitenwandtemperaturschwankungen zu, was möglicherweise zu einer erhöhten Feuerfesterosion führt.

Aufgrund des Verlusts einer gefrorenen Schicht und/oder der Auflösung des Herdkohlenstoffs können hohe Herdplattentemperaturen auftreten, während die Seitenwandtemperaturen des Herds zufriedenstellend sind. In solchen Fällen kann es erforderlich sein, das Stichloch zu kürzen, indem die Menge der eingespritzten Stichlochmasse verringert und ggf. die Stichlochneigung verringert wird. Dies trägt dazu bei, den HM-Fluss in der Nähe des BF-Zentrums zu reduzieren und die auf der Herdplatte zurückgehaltenen Flüssigkeiten zu erhöhen. 

Hahnlochdurchmesser

Der zur Aufrechterhaltung einer gegebenen Produktivität erforderliche Abstichlochdurchmesser hängt von den BF-Parametern ab, wie z. B. dem Anteil der Gießzeit, dem oberen Druck, dem Schlackenvolumen, der Herdkoksgröße, den Flüssigkeitsviskositäten und den Eigenschaften der Abstichlochmasse. Falls das Abstichloch für eine gegebene Produktionsrate zu klein ist, dann ist es nicht möglich, den Ofen trocken zu gießen. Wenn das Abstichloch zu groß ist, können während des Gießens weniger geschmolzene Produkte aus dem Ofen entfernt werden, da das Abstichloch vorzeitig explodiert, da die Flüssigkeiten über dem Abstichloch entfernt werden, bevor die Flüssigkeiten auf der gegenüberliegenden Seite des Herds hindurch absinken können das Koksbett. In beiden Fällen bleibt der Flüssigkeitspegel im Herd hoch und beeinträchtigt letztendlich den stabilen Betrieb. Daher ist die optimale Größe des Hahnlochs erforderlich, die sich aus Erfahrung ergibt.

Wenn ein einzelnes Abstichloch verwendet wird, muss die Größe so gewählt werden, dass der BF trocken gegossen werden kann und genügend Zeit zum Aushärten der Abstichlochmasse zwischen den Güssen bleibt. Bei einem BF, bei dem abwechselnde Abstichlöcher verwendet werden, können unter bestimmten Betriebsbedingungen Abstichlöcher unterschiedlicher Größe erforderlich sein, um die Entwässerung durch den Ofen zu gewährleisten.

Bei einem Mehrfachabstichloch BF, das Verschleiß im Herdkissen erfährt, kann es wünschenswert sein, den Durchmesser des Abstichlochs zu vergrößern. Zusammen mit einer Verringerung der Abstichlochlänge verringert dies den Eisenfluss über die Herdplatte und erhöht das Resteisen im Herd am Ende des Gusses, wodurch die Bildung einer gefrorenen Schicht auf der Herdplatte gefördert wird.

Abstichlochmasse

Die Masseneigenschaften der Stichlöcher sind wichtig für die BF-Operationen. Die Masse muss schnell aushärten und zwischen den Güssen vollständig aushärten, um ein starkes, haltbares Hahnloch zu schaffen. Die Abstichlochmasse muss gute Hafteigenschaften haben, um eine starke, dauerhafte Struktur aufzubauen, die dem Fluss von Flüssigkeiten widersteht und auch die Feuerfestmaterialien des Herds unter dem Abstichloch schützt.

Anzahl, Position und Leistung

An einem mittelgroßen Hochofen mit einem Stichloch kann eine hohe Produktivität erreicht werden. Es gibt jedoch Vorteile, wenn mehr als ein Abstichloch verfügbar ist, was bei höheren Produktionsniveaus eine Notwendigkeit ist. Abwechselndes Gießen aus Abstichlöchern auf gegenüberliegenden Seiten des Ofens führt zu einer effektiveren Herdentleerung und gibt auch eine längere Zeitspanne für die vollständige Aushärtung der Abstichlochmasse, was zu einem haltbareren Abstichloch führt. Das Vorhandensein von zwei Abstichlöchern ermöglicht eine umfassende Sanierung eines Haupteisenkanals, ohne dass eine Sprengpause erforderlich ist. Wenn heiße Stellen an der Herdwand eines Mehrfachstichlochs BF auftreten, kann es möglich sein, ein alternatives Stichloch zu verwenden, das die periphere Strömung in dem erodierten Bereich nicht fördert. Bei einem Ofen mit mehreren Abstichlöchern verteilt sich der durch die periphere Strömung verursachte Seitenwandverschleiß gleichmäßiger über den Umfang.

Für einen großen BF mit hoher Produktivität ist es vorzuziehen, vier Gewindebohrungen zu haben, wodurch ein gegenüberliegendes Paar betrieben werden kann, während ein Läufer repariert wird und der andere in Bereitschaft ist. Um die Abnutzung der Seitenwände auszugleichen und eine vollständige Herdentleerung zu fördern, sollten diese idealerweise in 90-Grad-Intervallen angeordnet werden.

Casting-Häufigkeit und -Rate

Die Gießrate wird durch die verwendete Stichlochbohrergröße, die Verschleißeigenschaften der Stichlochmasse, den Oberdruck, die Viskosität der Flüssigkeiten und die Anzahl der verwendeten Stichlöcher bestimmt. Bei modernen Hochleistungs-Stichlochmassen besteht die Tendenz, die Anzahl der Güsse zu reduzieren, was die Betriebskosten des Stichlochs senkt. Durch das Senken der Gießrate nehmen die Flüssigkeitsgeschwindigkeiten innerhalb des Herdes ab, aber sie halten für einen längeren Zeitraum an. Bei einem Mehrfachgießhaus BF besteht die Möglichkeit, gleichzeitig aus gegenüberliegenden Abstichlöchern zu gießen (Überlappungsguss), vorausgesetzt, die Abstichlochmasse härtet in kürzerer Zeit vollständig aus, als die Gießdauer und die Arbeitskraft und Logistik dies ermöglichen. Diese Technik reduziert die Strömungsgeschwindigkeiten im Herd, obwohl sie oft nur bei hohem Flüssigkeitsstand oder vor dem Abschalten des BF angewendet wird.

Längere Casting-Verzögerungen müssen um jeden Preis vermieden werden, um die Unterbrechung des BF-Betriebs so gering wie möglich zu halten. Dies erfordert eine gute Konstruktion und einen zuverlässigen Betrieb der Gießereiausrüstung, gute Gießereipraktiken und einen gut koordinierten Transport von HM-Pfannen.

Alkalien und Zink

Alkalimetalle und Zink wirken sich nachteilig auf das BF-Verfahren und die feuerfesten Materialien aus. Die Belastung soll einen möglichst geringen Alkali- und Zinkgehalt aufweisen. Normalerweise werden Alkali und Zink auf Niveaus von weniger als 5 kg/tSM kontrolliert (beste Praxis ist 2 kg/tSM), aber durch die Kondensation von Alkalidampf auf der absteigenden Belastung kann sich eine große rezirkulierende Ladung im BF aufbauen. Dies führt zu einem erhöhten Sinterabbau und Koksabbau und fördert die Bildung von Wandanhaftungen, was alles zu einem unregelmäßigen Abfall der Last und einem instabilen Betrieb des BF führen kann.

Alkalien und Zink dringen in gasförmiger Form in Risse und Poren der feuerfesten BF-Wand ein. Der resultierende chemische Angriff und die Temperaturwechsel schwächen die Oberflächenschicht aus feuerfestem Material, die schließlich durch die absteigende Last entfernt wird, wodurch der Vorgang wiederholt werden kann.

Herdzerlegungen nach Ende der Kampagne haben gezeigt, dass am Fuß der Seitenwand ein übermäßiger Verschleiß auftritt und dass sich normalerweise eine spröde Zone zwischen der Schale und der heißen Seite der Kohle bildet. Alkalien und Zink werden in dieser spröden Zone oft in hohen Konzentrationen gefunden. Es wurden verschiedene Abbaumechanismen vorgeschlagen, an denen diese Verbindungen beteiligt sind. Spannungs- und thermische Risse in der Seitenwand lassen gasförmige Alkalien und Zink eindringen und sich in den Poren ablagern. Dies führt zu Steinausdehnung, Versprödung, weiterem Aufquellen und schließlich zur Zerstörung der feuerfesten Masse. Ein erheblicher Schutz des feuerfesten Materials vor Alkalien und Zink wird erreicht, wenn ein Ansatz oder Schädel auf der heißen Seite des feuerfesten Materials eingefroren wird, wodurch das feuerfeste Material vor chemischem Angriff geschützt wird.

Der Großteil der Alkalien wird in der Schlacke und der Rest im Gichtgas entfernt. Bei der Alkalientfernung spielen jedoch Schlackenverhalten, thermischer Zustand und Belastungsverteilung eine große Rolle. Eine Verringerung der Schlackenbasizität erhöht die aus der Schlacke entfernte Alkalimenge als Erhöhung des thermischen Niveaus des BF oder der Kopftemperatur, indem der Grad der zentralen Bearbeitung verbreitert oder intensiviert wird. Außerdem ist für eine gegebene Alkalibeladung der Koksabbau wahrscheinlich größer für Betriebe mit einer hohen Kohlenwasserstoffinjektionsrate in die Blasdüse aufgrund der erhöhten Verweilzeit der Beschickung. Es ist wichtig, dass das Gleichgewicht zwischen Input und Output von Alkali und Zink überwacht wird und dass der BF mit einem thermischen und chemischen Regime betrieben wird, das mit dem Input-Level dieser Elemente kompatibel ist, um ihre Entfernung in der Schlacke und im Gichtgas zu fördern. P>

TiO2-Zugabe

Proben der Herdauskleidung am Ende einer Kampagne in BFs enthalten normalerweise titanhaltige Ablagerungen. Diese bilden eine Schutzschicht in erodierten Bereichen der Herdseitenwand, im Salamander und in Ziegelporen und -fugen. Das Titan liegt üblicherweise in Form von Carbonitriden Ti(C,N) vor, einer festen Lösung von Titancarbid (TiC) und Titannitrid (TiN). Daher besteht derzeit die Praxis darin, Titanoxid (TiO2) in den BF einzuführen, um diese Schutzschichten zu fördern. Für die Einführung von TiO2 werden normalerweise drei Methoden verwendet. These are (i) addition to the burden, (ii) injection at the tuyeres, (iii)  addition through tap hole mass.

The most common technique has been by the addition of titaniferrous ores (usually ilmenite) to the burden. Alternatively TiO2 can be added through sinter, though at low levels.

Two strategies are generally adopted for TiO2 addition. The first one is remedial, commencing TiO2 additions only when high hearth temperatures are observed, indicating hearth wear. The other takes a preventive approach and adds a small quantity of TiO2 continuously, increasing the addition level if high temperatures are observed. The TiO2 intake for the preventive approach is generally 3 to5 kg/tHM, which usually results in up to 0.1 % Ti in the HM and 1 % to 1.5 % TiO2 in the slag. For remedial action, the TiO2 dosage can be up to 20 kg/tHM, at which level the HM may contain up to 0.3 % Ti and the slag up to 3.5 % TiO2. This creates operating problems due to high slag viscosity and scaffolding in the runner, and hence such high TiO2 levels are only used for short periods.

For promoting the precipitation of Ti(C,N), sometimes the TiO2 addition is increased before a shutdown so that the HM remaining in the hearth get saturated in Ti. As the hearth cools during the shutdown, this promotes precipitation. However the resumption of production is more difficult at high Ti levels as it  creates operational problems.

TiO2 can also be added by injecting TiO2 fines through the tuyeres. The advantages of the technique are (i) application at localized positions, (ii) reduced cost due to lower TiO2 rate, and (iii) good results from short time injection, and (iv) unchanged burden properties.

The third method of TiO2 addition is by the use of tap hole mass containing TiO2. One such mass which had been tried was tar bonded with approximately 10 % TiO2. Clearly, the titania is bound in the tap hole mass in an unreduced form, and is injected in relatively small quantities. However there are doubts whether it gets reduced and dissolves in HM in sufficient quantities to be precipitated or whether it is reduced and bonded adequately to the hearth sidewall to be of benefit.

TiO2 is normally partially reduced in BF and is dissolved in the HM. The solubility is greater at higher temperatures. If the Ti in the HM is nearing saturation and the refractory hot face temperature in eroded regions, cracks and pores temperature is lower than the HM temperature, then Ti is precipitated, as Ti(C,N). The technique is more likely to succeed at higher addition rates, but there are other factors which can  interfere with this basic mechanism, including thermal state of the hearth, metal/slag chemistry and liquid flow characteristics.

TiO2 additions is usually carried out in conjunction with other remedial actions such as reducing productivity, closing tuyeres and improving hearth cooling intensity. The direct effect of TiO2 addition is therefore often difficult to determine. It is essential to carry out regular, accurate Ti balances to assess the technique and modify operation to encourage Ti retention. The effect of high rate additions can even have a detrimental effect on furnace operation, negating any benefits.

The addition of TiO2 for hearth protection is normally to be considered as part of a hearth protection plan rather than in isolation.

Monitoring

Burden distribution is to be monitored regularly for ensuring the wall protection and a stable and driving BF. Changes in the operating parameters, e.g. changes in tuyere hydrocarbon injectant rate or blast volume, may need adjustments to burden distribution. The effect of burden distribution is usually monitored with various probes and instruments.

For maximizing the campaign life, it is necessary that the charging equipment is capable of controlling accurately  the burden distribution. Also necessary instrumentations are to be fitted to comprehensively monitor the BF operation so that the burden distribution is changed and assessed in a controlled and technical manner. 

Instrumentation and control

Early warning of hearth problem areas is vital to maximize campaign life, and thermocouples located in the hearth sidewall and in the hearth pad are absolutely necessary to monitor hearth wear. Revised operating practices and actions to protect the hearth are to be taken as a result of increasing hearth temperatures. Hearth pad and sidewall temperatures can also give an indication of liquid flow in the hearth, an important factor in hearth wear.

Temperatures recorded by thermocouples are influenced by only a small area round the thermocouple. It is therefore vitally important to locate the thermocouples in the critical wear areas. Important areas are below the tap holes and around the base of the sidewalls where the so called ‘elephant’s foot’ wear pattern is normally found. An adequate number of thermocouples are to be installed, in the best layout to give as complete coverage as far as practical. At several locations, thermocouples can be positioned at two or three different depths to allow calculation of the thermal profile in the refractory and hence the thickness of residual refractory. 

Movement of carbon blocks can nip hearth pad thermocouples, causing false hot junctions or total failure. These problems can be overcome by fitting the thermocouples in sheaths. Thermocouples are also to be positioned around the tap holes, to monitor tap hole conditions and operation.

Additional thermocouples are often added part way through a campaign in areas of known refractory wear, to give a more localized picture of developing problems. Similarly, thermocouples are often added to repaired areas to monitor the repair.

Monitor hearth cooling

Heat flux in the hearth pad or stave cooling water can be determined from the water flow rates and the difference between inlet and outlet water temperature, using resistance thermometers. It can be used only to give an indication of the average hearth wear. It is particularly applicable in the later stages of a campaign, following thermocouple deterioration. Monitoring long term trends in hearth cooling water temperature may give an indication of the efficiency of the cooling system.

Furnace wall conditions

The process conditions at the furnace wall are vital to campaign life. The walls is not to be subjected to high heat loads from an excessive quantity of gas ascending at the wall or impingement of the melting zone on the wall, which results in rapid deterioration of the refractory and wear of the cooling members. On the other hand the walls must not be so inactive that large accretions are permitted to form on them, which prevents smooth burden descent, control of burden distribution and stable blast furnace operation. To monitor wall conditions a variety of methods are used.

The common method of monitoring the walls is using in-wall thermocouples, positioned in the brick work, with the tips a short distance back from the hot face to give a good thermal response. Wall activity is monitored from the temperature level and fluctuations.

There must be a good coverage of thermocouples both vertically and circumferentially to monitor the walls adequately. Typically seven levels of thermocouples, each with eight circumferential positions are used. With a large number of thermocouples, it is difficult for the operator to monitor the variation of them all. By using the temperatures at many points, an isothermal map is normally generated, identifying regions of high or low temperatures which relates to refractory wear, asymmetrical operation or accretion formation. The dynamic temperature behaviour is also be utilized to predict the formation or loss and extent of an accretion.

Throat or skin thermocouples are often installed around the periphery, just below the fixed throat armour. The thermocouple tips are installed level with the hot face of the refractory, to record gas temperature. These give a direct measure of the gas flow at the wall and are usually unaffected by deposition of material, unlike in-wall thermocouples lower in the stack.

Radial measuring probes

The use of retractable probes is one of the important techniques to monitor and optimize burden distribution, and hence campaign life. Such probes are the only method of measuring the variation in operating characteristics along the furnace radius, as opposed to relying  solely on wall measurements. They are essentially of two types namely (i) overburden,  and (ii) underburden.

Overburden probes have several functions. The simplest type is usually fixed, water cooled and measures the radial or diametrical top gas temperature profile and, in some instances, the gas analysis. Most retractable probes measure the stock line layer profile and can be of a mechanical type, where a weight is lowered to the stock line or a non-contact type, using radar, microwaves, lasers, etc.

Top gas velocity can also be physically determined to measure the quantity of gas flow, and top gas analysis and temperature measurement is frequently carried out in conjunction with the other functions. Probes are also used to determine the trajectory of material off the rotating chute or movable throat armour, for calibration of burden distribution predictive models and to determine the effect of charging chute wear.

Underburden, or in-burden, probes sample gas and measure temperature at a number of radial positions. They are generally positioned in the upper stack, typically 3 m to 6 m below the stock line. These probes are generally of two types. The consumable type, is typically 50 mm in diameter, bends with the descending burden and is straightened on withdrawal for subsequent re-use.

Since the top gas has to pass from the stock line up one of the four off takes, the gas flow pattern begins to distort near the stock line. A large degree of gas mixing then occurs above the burden, and overburden probes must be positioned close to the stock line, and preferably inclined, to give acceptable temperature and gas profiles. The upper stack underburden probes are more sensitive and give superior results to overburden probes. In addition, fixed overburden probes can be quite big in size and, depending on the stock line height, can create a ‘shadow’ and distort the burden distribution below them, which can give unrepresentative results.

Probes, especially underburden probes, are essential tools for prolonging BF campaign life.

Hearth models

In recent years, with increasing computing power available, many mathematical and numerical techniques have been developed to predict blast furnace hearth erosion and liquid flow in the hearth.

Hearth lining wear may be calculated by mathematical model, using temperature measurements from embedded thermocouples in the hearth bottom and sidewall. For this technique to be accurate, a good coverage of thermocouples is required and their depth of insertion needs to be known precisely, together with the thermal properties and geometry of the lining. The accuracy may also be affected by parameters that may change with time, such as the conductivity of ramming, thermal contact between courses of brickwork and the development of a brittle zone in the refractory, which can significantly change its conductivity.

Although hearth temperatures alone give a direct indication of hearth wear, this type of modelcombines information from the thermocouples, at differing distances from the hot face, to predict the extent of wear and solidified layers more accurately.

Direct measurement of hearth lining wear is difficult and undesirable since this requires test borings and embedded sensors through the full refractory thickness.

Artificial Intelligence

The blast furnace process is a complex one, with a large number of process variables. Modern, well instrumented furnaces have hundreds of sensors which require to be monitored by a decreasing number of operators. Consequently, computerized systems are being developed to process the primary information available and give secondary advice to the operators. This is based on a set of operating rules, statistical analysis of data, identifying trends that compare with historical data and use of intelligent techniques such as fuzzy logic and neural networks. The aim of these systems is to predict deviation from steady operation and to quantify the change in control parameters required to minimize the deviations in production and quality. This results in more stable BF operation, avoiding major operating problems such as erratic burden descent and chilled conditions, which is a primary requirement for long campaign life.

Furnace top sensors

Since the late 1970s, many BFs have been equipped with infra-red cameras viewing through windows in the top cone, to measure stock line temperature profile. This technique overcomes some of the disadvantages of fixed overburden temperature probes. The falling burden is not scattered as with probes, leading to a more symmetrical burden distribution, and by measuring material temperature the effects of stock line to probe distance, which can result in gas mixing and desensitizes the temperature profile, are avoided. A further benefit is that the rotation of the distribution chute in the furnace can be observed. However, these systems are expensive, difficult to maintain and experience problems in keeping the viewing window clean, due to the moist, dusty top gas. Problems have been experienced with the dust in the top gas also affecting the temperature distribution. Hence these cameras are not a standard fitment and many operators have abandoned them in favour of radial probes.

Some furnaces are equipped with non-contact stock line profile measurement systems installed in the furnace top cone. These systems effectively replace a retractable overburden probe and, although expensive, have the advantage that they measure over a larger proportion of the stock line than the single radius of a probe.

Thermography

The use of thermal imaging cameras to detect hot spots, on the furnace shell, top gas system, tuyere stocks, stoves, hot blast and bustle mains and other ancillary plant, is important. Not only does it enable early detection of problem areas and permit their systematic rectification, but it also helps prevent catastrophic failures, in which the BF has to be taken off-blast in a sudden uncontrolled manner followed by an often difficult recovery, which would have a detrimental effect on campaign life.

  Leak detection

An efficient system of detecting water leaks into the BF from tuyeres and other cooling members is essential. Undetected water leaks may chill the furnace, resulting in erratic operation and difficult recovery from chilled conditions. Water leakage directly affects BF campaign life if it damages the refractories. Water leaks in lower, hotter regions of the BF, which are lined with carbonaceous materials, inevitably results in oxidation of the refractories. Rat holes in the hearth refractories can result, which can lead to breakouts. Water leakage can also result in tap hole problems which may disrupt operations.

Tuyere leak detection systems are often used. One leak detection system incorporates a system of magnetic flow meters with computer analysis of the differential flows. Another system of leak detection uses a pressurized closed circuit water system incorporating make up tanks with  the makeup frequency indicating the severity of a leak. Other systems involve observation of gas bubbles or dissolved CO content in the water, differential pressure measurements etc.

A good leak detection system often warns the operator of a water leak in its early stages, before an immediate off blast is required. This gives the opportunity for the leaking member to be isolated prior to the furnace being taken off in a controlled manner, with reduction in tuyere hydrocarbon injection and ore/coke ratio adjustments, thereby minimizing detrimental effects resulting from the subsequent stoppage.

Plant maintenance

All maintenance work possible are to be carried out during production, thereby reducing the off blast time necessary. To minimize the duration of a planned stoppage, good planning and advance preparation are necessary. Although these factors are obvious for economics and to maximize plant output, their long term effect on furnace life is not always considered.

Preparations should always be in hand for maintenance to be carried out if the furnace comes off blast unplanned for other reasons. For instance, if the furnace is off for a tuyere change, it may be possible for work to be carried out on the charging system. If the furnace is off blast for problems at the steel melting shop, then it may be possible for more extensive maintenance to be performed. In this way, the total number of stoppages during a BF campaign can be reduced and their duration minimized.

Effective maintenance reduces the number of breakdowns which result in unplanned stoppages. This  involve routine maintenance, regular inspections, periodic  checking of important instrumentation, and condition monitoring, e.g. vibration and thermal monitoring. This is most important at later stages of a campaign, as ancillary equipment gets older and less reliable.

Similarly, improved cast house maintenance techniques can reduce off blast time, e.g. extension of the life of the main iron runner on a single tap hole furnace reduces downtime.

Off blast periods

The number of off blast periods, mainly unplanned ones, has a major effect on campaign life in terms of output per unit volume, which is reduced disproportionally to the percentage downtime. Wall damage can result from an increased degree of wall working at the lower blast volumes encountered whilst coming off and on blast, cooling and reheating of the refractories or erratic operation during recovery from the stoppage.

Some BF operators indicate that off blast periods ‘rest’ the hearth and allow a protective skull to form or thicken. In fact, taking the BF off blast is often an emergency procedure, at later stages of the campaign, when high temperatures are detected within the hearth refractory.

Short stoppages

For planned stoppages, additional coke can be charged several hours in advance, to compensate for the reduced blast conditions and the heat losses during the stoppage period. This extra coke in the lower regions of the BF assists smooth recovery from the stoppage. It is usual to decrease or remove tuyere hydrocarbon injection for a stoppage.

At high injection rates, there is a much lower proportion of coke in the BF, which is consequently less permeable and this may hinder recovery from the stoppage. In addition, at high injection rates, the BF is markedly fuel deficient during the recovery until the injection is resumed. This may not happen until the blast volume has reached about half of its full rate, when an adequate raceway is formed and the injectant can be consumed safely. In case there are operating problems in establishing raceway conditions and returning to the level of blast at which injection is possible, it can result into cold conditions or tuyere blockages with slag and the BF is fuel deficient at a time when additional fuel is needed.

In addition to ore/coke ratio compensation, a burden change is generally desirable for a stoppage period. Smaller material components of the burden is to be removed from the burden to promote permeability following the stoppage. High levels of titaniferrous ores is also to be reduced to avoid problems at lower HM temperatures after the stoppage. The proportion of burden components that deteriorate when at high temperatures over a long period, such as ores prone to decrepitation, are to be reduced in a stoppage burden. In addition, a more acid burden may be charged to compensate for higher Si content in the HM during recovery from the shut down.

During a stoppage, other deleterious factors can occur which affects the return to full blast operations. For example, this may include (i) extended periods at reduced blast volume to cast the furnace dry before the off blast, (ii) an extended stoppage period for a variety of reasons, (iii) water leakage into the BF during the shutdown, and (iv) problems during the recovery that may require  several off blasts (may be to rectify blast leaks or charging faults etc.). Under such circumstances, the undesirable operating conditions are extended and the additional coke charged may not be adequate, leading to a less smooth recovery from the stoppage.

To ensure smooth operation and minimize the effect of a stoppage on the life of BF, some operators believe a slow start after a planned stoppage. A typical of this is to control output to 90 % on the day before a stoppage and resume at 80 %, then 90 % output on the two days following the stoppage. However, this may not be acceptable to other operators, under conditions where high output is needed.

Unplanned stoppages are undesirable and, if possible, many BF operators try to delay taking the BF off blast for long enough to allow a compensated burden to descend to bosh level.  Attempt is usually made to cast the BF as dry as possible, to avoid getting slag back into the tuyeres and blowpipes, which may freeze and further prolong the stoppage. This also gives time to prepare for the repair work due to be carried out and to minimize the time of off blast. To compensate for the heat lost due to an unplanned stoppage, the tuyere hydrocarbon injection is generally increased after coming back on blast, providing it is not already at its maximum level.

Production stoppages can also occur due to the problems in the steel melting shop or during periods of low demand. These occurrences are to be coordinated so as to get advanced warning wherever  possible, and to give the option of a compensated burden. The pig casting machine (PCM), torpedo ladle fleet or steel melting shop  mixers are to be used as a buffer for short stoppages. In certain circumstances, when there is minimal advance warning of a shutdown, the BF is not dry and there is little empty ladle capacity, and there is no PCM available, it is preferable to dump the HM.

Stack spray techniques for the repair of wall refractories have advanced, enabling the walls to be gunned in a relatively short stoppage, by blowing the burden down to a low level. Although this allows a large quantity of coke to be charged at the lower levels of the furnace to aid start up, there is often difficulty due to the quantity of rebounded refractory falling into the furnace. Start up is easier if a low rebound material is used and the BF is blown down to tuyere level, enabling the rebound material to be raked from the furnace. This can be achieved more effectively by the use of T shaped sheets of corrugated sheeting, inserted rolled up through the tuyere cooler apertures. The blow-in burden chemistry is also to  be adjusted to give a slag chemistry that enables the residual rebound material to be melted.

There is a difference of opinion as to whether or not cooling water flows should be decreased for stoppages of greater than a given duration. Some operators prefer reduced flows to maintain refractory temperatures. The majority prefer the hearth cooling water on full flow to promote a thicker protective skull, whilst others who reduce the water flow suggest that by removing less heat it assists a smooth start up.

Another factor which affects the recovery from a stoppage is the removal of an accretion from the BF walls, resulting from the additional wall working and erratic burden descent. This can results into chilled conditions at a time when they are least desirable. If an accretion is known to have formed, it is desirable to try and remove it before a long stoppage. A good system of accretion monitoring provide immediate warning in case of its occurrence, to enable thermal compensation as soon as possible.

Long stoppages

Depending on the duration of the stoppage, the BF may be filled with a coke blank and a low ore/coke burden, or the burden may be blown down to tuyere level. For stoppages of several weeks or longer, the salamander is to be tapped. If this is not done, not only will a considerable amount of process heat be needed, during the recovery, to melt it, but it will expand whilst still solid and create undue stresses on the hearth refractories and shell, shortening their life. This is even more important with those BFs, where the sump depth has been increased to reduce peripheral iron flow in the hearth. It is desirable to monitor these stresses with strain gauges attached to the hearth jacket, and to develop procedures to minimize such stresses.

To recover from longer stoppages, when the BF is in a cold condition, it is necessary to’ warm the hearth and establish an early link between the tap hole and the tuyeres to allow liquids to be removed. This may be done by the use of a blast pipe at the tap hole or the use of an oxy-fuel lance. It is important to prevent the oxygen, entering at the tap hole, damaging the hearth carbon, which can directly shorten the campaign life. Recovery from chilled hearth conditions, following major water ingress during a routine maintenance stop, has been reported to have resulted in severe hearth erosion. Recovery from long shutdowns, with a large quantity of solid metal in the hearth and an impermeable dead man, may result in excessive peripheral flow in the hearth with accelerated hearth sidewall erosion.

Production rules

Being a continuous process, the BF is operated by a number of different operators who, without a set of rules to operate to, would react differently to a given situation. The individual actions taken may not be the correct one and, as a result, the process can be more variable than if the ideal action was taken. The majority of BFs are therefore operated according to set procedures that have been developed and improved from experience. These rules cover a wide area, including practical procedures and process control.

To maximize BF stability, it is necessary to control accurately both the thermal state and the aero-dynamics of the furnace. Steel plants usually devise their own rules to control thermal state, which generally involve the HM Si and temperature as indicators, with the use of top gas analysis and calculation of the quantity of heat available in the BF for silica reduction and to superheat the liquid products. Control of thermal state is usually by adjustment of conditions at the tuyere or by small changes in the quantity of coke charged. Furnace aero-dynamics are monitored by rules relating to furnace pressure drops and burden descent rates, with adjustment to blast volume, burden distribution or burden properties to achieve stability.

Operating rules are also necessary for non-routine operations, where damage to the BF may result from incorrect procedures, for instance in the recovery from chilled hearth conditions, where damage to refractories can happen. 

Specific rules for prolongation of BF life

Many operators have a specific set of operating practices for the prolongation of campaign life, which are in place to minimize damage to or prevent further deterioration of the BF. As the hearth is the critical region of the BF which cannot be repaired without a long shutdown, these rules or action plans often relate to hearth conditions. Typically, the actions are defined according to hearth temperatures or refractory thickness.