Optimiertes Gebläseluftsystem für effizienten Hochofenbetrieb

Ein Hochofen (BF) produziert flüssiges Eisen (Roheisen) durch die Reduktion der Erzlast mit Reduktionsgasen. Die Reduktionsgase werden durch die Reaktion von Sauerstoff mit Koks und Kohle erzeugt. Dieser Sauerstoff ist Teil der angereicherten heißen Gebläseluft, die am Boden des BF durch die Geradrohre, Windleitungen (Blowpipes) und die Düsen (Tuyeren) eingeblasen und verteilt wird. Dieser Satz ist mit dem Hauptwindkasten (Bustle Pipe) verbunden. Das Volumen der Luft, das mit Sauerstoff angereichert und für den Prozess im BF eingeblasen wird, wird von den Gebläsegebläsen (Air Blowers) bereitgestellt. Diese Gebläse saugen die Luft aus der Atmosphäre an und verdichten sie auf den erforderlichen Druck. Diese verdichtete Luft, die nach der Verdichtung eine Temperatur von bis zu ca. 200 °C hat, wird mit Sauerstoff angereichert und in die Windheizöfen (Hot Stoves) geblasen, wo die Temperatur auf 1.200 bis 1.250 °C erhöht wird. Diese heiße Gebläseluft wird dann durch die Heißwindhauptleitung (Hot Blast Main) zum Windkasten geleitet. Gebläseluftsysteme moderner Hochleistungshöchenöfen arbeiten mit Gebläsetemperaturen von bis zu 1.350 °C und Gebläsedrücken von bis zu 5 kg/cm² (ü). Der gesamte Prozess ist typischerweise in Abb. 1 dargestellt.

Die Hauptkomponenten eines Gebläseluftsystems eines Hochofens bestehen aus: (i) Gebläse (Air Blower), (ii) Kalte-Wind-Hauptleitung (Cold Blast Main), (iii) Windheizofen (Hot Blast Stove) mit seinem Verbrennungssystem, (iv) Heißwind-Hauptleitung (Hot Blast Main), (v) Windkasten (Bustle Pipe), (vi) Windleitungen (Blow Pipes) und Düsen (Tuyeren) bekannt als Düsenstöcke (Tuyere Stocks), (vii) Satz von Ventilen und (viii) Steuerinstrumente.

Das Gebläse (Air Blower)

Das Gebläse ist die erste Ausrüstung im Gebläseluftsystem. Es befindet sich im Gebläsehaus und dient der Bereitstellung von kalter Gebläseluft für die Windheizöfen bei gewünschtem konstantem Durchflussvolumen und Druck. Daher ist der Überspannungsschutz (Surge Protection Control) eine sehr wichtige Steuerung für ein Hochofen-Gebläse. Allgemein werden zwei Gebläse für einen Hochofen bereitgestellt. Es saugt das Luftvolumen aus der Atmosphäre an, verdichtet es auf den benötigten Druck und bläst es in die Kalte-Wind-Hauptleitung. Die verdichtete Luft hat üblicherweise eine Temperatur von 150 °C bis 250 °C, was der Temperatur entspricht, die durch die Verdichtungswärme am Gebläse resultiert. Die Gebläse werden entweder durch Dampfturbinen oder Elektromotoren angetrieben. Das Gebläse muss so betrieben werden, dass es die Luftstrombedingungen erfüllt, die wiederum durch den Betriebszustand des Hochofens bestimmt werden. Außerdem müssen sie ein sehr hohes Zuverlässigkeitsniveau aufweisen, da die Leistung des Hochofens stark von der Leistung des Gebläses abhängt.

Für die Erzeugung der Gebläseluft sind die meisten Hochofen mit mehrstufigen Zentrifugal-Turbogebläsen (Centrifugal Turbo-Blowers) mit drei oder vier Stufen ausgestattet. Für einige sehr große Hochofen arbeiten zwei Gebläse parallel. Bei sehr großen Hochofen können jedoch Axialgebläse effizienter eingesetzt werden. Moderne Hochofen verfügen über Axial- oder Axial-Radial-Isothermverdichter, die dafür ausgelegt sind, große Luftvolumenströme in relativ kleinen Gehäusen bei hervorragenden Wirkungsgraden zu bewältigen.

Kalte-Wind-Hauptleitung (Cold Blast Main)

Die Kalte-Wind-Hauptleitung verbindet das Gebläse und die Windheizöfen. Sie ist normalerweise nicht ausgekleidet, da die Temperatur des kalten Windes normalerweise zwischen 150 °C und 250 °C liegt. In einigen Öfen wird die Kalte-Wind-Leitung jedoch als Energiesparmaßnahme isoliert. Am Ofenende der Kalten-Wind-Hauptleitung befinden sich die Kalte-Wind-Ventile für die Öfen und die Mischleitung, die mit einem Absperrklappenventil (Butterfly Valve) ausgestattet ist. Um eine konstante Heißwindtemperatur für den Hochofen aufrechtzuerhalten, steuert ein Thermoelement in der Heißwind-Hauptleitung dieses Absperrklappenventil in der Mischleitung und regelt den Anteil der dem Ofen zugeführten Luftmenge und der Menge, die ihn umgeht.

Wenn ein erhitzter Ofen erstmals in Betrieb geht, ist die Temperatur der erhitzten Luft viel höher als die gewünschte Heißwindtemperatur, sodass ein erheblicher Teil der Luft den Ofen umgehen muss. Wenn Wärme aus dem Ofen entzogen wird und die Temperatur sinkt, muss das Absperrklappenventil in der Mischleitung allmählich schließen und mehr Luft durch den Ofen zwingen. In einigen automatischen Ofenumschaltsystemen wird die Position des Reglerventils als Signal verwendet, das einen Ofenwechsel einleitet.

Die Kalte-Wind-Hauptleitung ist auch mit einem Ablassventil (Snort Valve) ausgestattet, normalerweise in der Nähe des Hochofens angeordnet, das geöffnet wird, wenn es notwendig ist, den Gebläsedruck schnell zu verringern. Dies entlädt die kalte Gebläseluft in die Atmosphäre und hält einen positiven Druck in der Kalten-Wind-Leitung aufrecht, damit Gas aus dem Ofen nicht zurück zum Gebläse strömen kann. Aufgrund der schnellen Luftentladung beim Öffnen des Ablassventils ist es normalerweise mit einem Schalldämpfer ausgestattet.

In Werken, in denen die Gebläseluft mit Sauerstoff angereichert wird, kann der Sauerstoff am Einlass des Turbogebläses bei atmosphärischem Druck oder unter Druck in der Kalten-Wind-Hauptleitung zugegeben werden. Feuchtigkeit wird in der Kalten-Wind-Hauptleitung zugegeben, wenn sie für die Gebläsefeuchtigkeitskontrolle erforderlich ist.

Windheizofen (Hot Blast Stove)

Der Windheizofen ist eine Einrichtung zur kontinuierlichen Lieferung von heißer Gebläseluft an einen Hochofen. Bevor die Gebläseluft zu den Hochofendüsen geliefert wird, wird sie durch das Durchlaufen von regenerativen Windheizöfen vorgeheizt, die hauptsächlich durch Verbrennung des Hochofenkopfgases (BF-Gas) beheizt werden. Auf diese Weise wird ein Teil der Energie des Kopfgases in Form von fühlbarer Wärme an den Hochofen zurückgegeben. Diese zusätzliche, als Wärme an den Hochofen zurückgeführte thermische Energie reduziert den Bedarf an Hochofenkoks erheblich und erleichtert die Injektion von Hilfsbrennstoffen wie Kohlenstaub als Ersatz für teuren metallurgischen Koks. Dies verbessert die Effizienz des Prozesses. Windheizöfen eines modernen Hochofens haben folgende Merkmale:

• Erreichen hocheffizienter Verbrennung – auch bei Betrieb mit reinem Hochofengas
• Geringere Wärmestrahlung vom Ofenkörper
• Niedrigere Baukosten
• Hohe Ofen-Lebensdauer – erwartete Lebensdauer eines modernen Ofens beträgt ca. 40 Jahre
• Vollständige Beseitigung von Spannungsrisskorrosion
• Niedrige Konzentration von unverbranntem CO über der Oberfläche der Schachsteine (Checker Bricks)

Die meisten Hochofen sind mit drei Windheizöfen ausgestattet, obwohl in einigen Hochofen vier Öfen vorhanden sind. Die Öfen sind hohe, zylindrische Stahlkonstruktionen, die mit Isolierung ausgekleidet und fast vollständig mit Schachsteinen gefüllt sind, in denen Wärme gespeichert und dann an die Gebläseluft übertragen wird. Jeder Ofen hat etwa den gleichen Durchmesser wie der Hochofen, und die Höhe der Schachsteinsäule beträgt etwa das 1,5-fache der Arbeitshöhe des Hochofens. Bei modernen Hochofen ist das Verhältnis der Ofengröße zur Ofengröße noch größer. Die Windheizöfen wurden separat im Artikel https://www.ispatguru.com/generation-of-hot-air-blast-and-hot-blast-stoves/ beschrieben.

Heißwind-Hauptleitung (Hot Blast Main) und Windkasten (Bustle Pipe)

Heißer Gebläseluft wird von den Windheizöfen über einen großen, feuerfest ausgekleideten Kanal, die Heißwind-Hauptleitung, zum Hochofen geleitet. Eine konstante hohe Temperatur der heißen Gebläseluft ist kritisch für den effizienten Betrieb des Hochofens. Die Designs der Heißwind-Hauptleitungen zusammen mit dem Windkasten müssen Systembewegungen und Restausdehnungen berücksichtigen, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Der Designer der Hochofen-Heißwind-Hauptleitung steht vor mehreren einzigartigen Herausforderungen. Die Heißwind-Hauptleitung ist typischerweise ein großdurchmessiges Rohr, das einer Reihe von thermischen Ausdehnungskomponenten ausgesetzt ist. Das Dehnfugensystem muss so ausgelegt sein, dass es thermische Bewegungen in X-, Y- und Z-Richtung der Ofenzweiganschlüsse, Hauptleitung und Windkasten aufnimmt. Thermische Bewegungen resultieren aus Schwankungen der Wandtemperatur durch das Medium sowie aus Schwankungen der Temperatur von Zugstangen und Strukturen aufgrund veränderlicher Umgebungsbedingungen. Auch den auf die Ofenanschlüsse und Strukturen einwirkenden Kräften und Bewegungen sowie Spannungen in dem Heißwind-Rohrsystem muss Rechnung getragen werden. Schließlich müssen die Dehnfugen über die lange Hochofenkampagne mit minimalem Wartungsaufwand funktionieren.

Der große kreisförmige Rohr, der den Hochofen auf Mantelhöhe umgibt, wird als Windkasten (Bustle Pipe) bezeichnet. Er dient der Verteilung der heißen Gebläseluft von der Heißwind-Hauptleitung in den Ofen durch eine Reihe von Düsen, den Tuyeren. Der Windkasten ist innen mit feuerfestem Material ausgekleidet, um die äußere Stahlhülle vor der hochtemperierten Luft im Inneren zu isolieren und zu schützen.

Tuyeren und Düsenstöcke (Tuyere Stocks)

Tuyeren sind kleine Rohre, die heißer Luft vom Windkasten den Eintritt in den Hochofen erlauben. Sie sind speziell geformte Düsen, durch die heiße Gebläseluft in den Hochofen eingeblasen wird. Sie bestehen aus Kupfer und sind normalerweise wassergekühlt, da sie direkt der Ofentemperatur ausgesetzt sind. Sie befinden sich rund um den Hochofen wie Speichen am Nabe eines Fahrradreifens. Der Düsenstock (Tuyere Stock) ist die Baugruppe aus Gänsehals (Gooseneck), Ausgleichsbalg (Expansion Bellow), Verbindungsrohr, Bogen (Elbow), Schauglas (Peep Hole), Windleitung (Blow Pipe), Befestigungsanordnung und Spannvorrichtung. Die Düsenstöcke, als Verbindung zwischen Windkasten und Düse, passen sich den relativen Bewegungen zwischen dem Heißwind-Lieferungssystem und dem Hochofen an.

Die Windleitung (Blowpipe), die das Heißwindsystem mit der Düse verbindet, passt in einen bearbeiteten kugelförmigen Sitz an der Basis der Düse. Der Düsenkühler (Tuyere Cooler) und die Düse sind wassergekühlt. Bei modernen Hochofen, die Heißwindtemperaturen über 1.150 °C nutzen, sind die Wassergänge im Düsenkörper so ausgelegt, dass die Wassergeschwindigkeit über 20 m/s gehalten wird, und die Wassergänge in der Düsennase so, dass die Wassergeschwindigkeit über 28 m/s gehalten wird, um den Wärmeübergang zu verbessern. In einigen modernen Hochofen ist auch die Nase der Windleitung wassergekühlt, obwohl dies in den meisten älteren Öfen nicht der Fall ist. Die Brennstoffinjektionslanze tritt durch die Wand der Windleitung ein und mündet meist leicht versetzt zur Mittellinie und etwa 50 mm hinter der Nase der Windleitung. Einige Hochofen sind mit Dual-Injektionssystemen ausgestattet, die zwei Öffnungen in der Windleitung haben, um mehrere Düsenbrennstoffe zu ermöglichen. Mit der zunehmenden Verwendung von Kohlenstaub als Düsenbrennstoff wird die Platzierung der Injektionslanze kritischer, um Anprall auf die Innenseite der Düse zu verhindern und eine bessere Verbrennung des Kohlenstaubs zu erreichen. Die Windleitung wird durch Spannung in der Zugstange (Bridle Rod), die den Düsenstock mit der Herdjacke verbindet, fest gegen die Düse gedrückt. Die Zugfeder (Bridle Spring) am Ende der Zugstange erlaubt begrenzte Bewegung, wenn sich die Windleitung mit Änderungen der Heißwindtemperatur ausdehnt und zusammenzieht. Die Windleitung selbst ist ein Legierungsstahlrohr, das mit feuerfestem Material ausgekleidet ist, um zu verhindern, dass das Metall zu heiß wird.

Die Hauptkomponenten des Düsenstocks sind durch polierte konische Flächen mittels der consequenten engen Anordnung des nächsten Teils in dem vorherigen fest miteinander verbunden. So gewährleisten die dicht sitzenden konischen Flächen die leckdichte Integrität der Verbindung. Eine Störung des Betriebsheizzyklus sowie jede Undichtigkeit einer der Verbindungen im Düsenstock führt zum Verbrennen der Konstruktionselemente und zu Ausfällen.

Die Düse, der Düsenkühler und die Windleitung arbeiten unter den schwersten Temperaturbedingungen. Der Düsenkühler wird in die Brust der Ofenauskleidung eingesetzt. Die Düse ist mit der Düse gekoppelt, die bereits 250 mm bis 350 mm tief im Körper des Hochofens liegt.

Die Windleitungen bestehen meist aus Stahl mit Beschichtung aus spezieller keramischer Feuerfestauskleidung. Die Tuyeren bestehen aus Kupfer. Früher wurden Kunst-Tuyeren aus gepressten Kupferblechen mit Wandstärken bis zu 8 mm hergestellt. Heutzutage werden Tuyeren meist aus zentrifugal gegossenem Kupfer hergestellt, was durch die hohe Fertigungsqualität, die höchste Materialhomogenität und das Fehlen von Mikroporen die maximale Betriebslebensdauer der Düse gewährleistet. Dieses Verfahren ist jedoch etwas teurer als die Tuyerenherstellung durch Vakuumguss. Letzterer wird auch manchmal in der Tuyerenproduktion angewendet und hat geringere Umwandlungskosten, aber es besteht die Möglichkeit einer leichten Materialinhomogenität. Jedenfalls hat das Gießverfahren der Tuyerenproduktion die Anwendung der geschweißten Konstruktion der Tuyeren aufgrund ihrer geringeren Betriebskapazität trotz der geringeren Produktionskosten, die auch mit dem Guss hohler Kupfer-Düsenkühler verbunden sind, fast vollständig verdrängt. Der Düsenkühler wird ebenfalls durch Gießen hergestellt und besteht aus Kupfer (seltener aus Bronze). Er wird in die Brust der Ofenauskleidung eingesetzt und über den Flansch mit zusätzlichem Schweißen an der Herdjacke befestigt.

Die Hochofendüse wird durch das mit einer Rate von 15–25 m³/h direkt auf die innere Fläche der Düse zugeführte Wasser gekühlt. Die Erwärmungstemperatur des abgeführten Kühlwassers darf 15 °C nicht überschreiten. Der Druck des der Düse und dem Düsenkühler zugeführten Kühlwassers beträgt normalerweise nicht mehr als 5–10 kg/cm². Die Verwendung von Kupfer (mit min. 99,5 % Cu) als Konstruktionsmaterial ermöglicht die effektive Wärmeabfuhr vom Kegelkörper der Düse, die unter extrem heißen Bedingungen arbeitet.

Auf der Rückseite des Düsenstocks auf der Mittellinie der Windleitung und Düse befindet sich eine kleine Öffnung, durch die eine Stange zum Reinigen von Material aus der Windleitung eingeführt werden kann. Die Öffnung wird durch einen Deckel verschlossen, der bei Bedarf geöffnet werden kann, aber gasdicht ist, wenn er geschlossen ist. In diesem Deckel, der als Düsenkappe (Tuyere Cap) oder Wicket bezeichnet wird, befindet sich ein glasabgedecktes Schauglas (Peep Sight), das dem Bediener erlaubt, das Innere des Ofens direkt vor der Düse zu inspizieren. Der obere Teil des Stocks ist über ein Schwenkgelenk mit der feuerfest ausgekleideten Düse des Gänsehalses verbunden, an den er durch Bolzen und Schlüssel, die in Sitze von Hängeleisten passen, geklemmt ist. Jeder Gänsehals ist wiederum über Flansche und Bolzen mit einem radial vom Innendurchmesser des Windkastens ausgehenden Hals verbunden. Düsenstöcke sind für lange Lebensdauer und einfache Handhabung ausgelegt. Die Schematik einer typischen Düsenstockanordnung ist in Abb. 2 dargestellt.