TiO2の添加による高炉炉床ライニングの保護
TiO2の添加による高炉炉床ライニングの保護
高炉（BF）のキャンペーン寿命の延長は大きな懸念事項です。 BFのキャンペーンを延長する必要性はよく知られています。キャンペーンライフの向上は、高い生産性を維持しつつ、単価を下げることで実現します。 BF炉床の耐火物ライニングは最も重要であり、BFキャンペーンライフに大きな影響を与えます。実際、これはBFキャンペーンの寿命を制限する最も重要な要因の1つです。炉床耐火物の摩耗は、BFキャンペーンライフへの影響が最大であるため、BFオペレーターにとって深刻な懸念事項です。
炉床は、化学的攻撃、炭素レンガの溶解、スラグと溶銑（HM）の流れ、および熱応力のために、BFで最も深刻に露出しているゾーンです。最も重要な領域は、炉壁と炉床の底部の間の遷移領域です。 BFのキャンペーン寿命は、通常、炉床壁の耐火物の侵食によって決定されます。ライニングの適切な設計に加えて、炉床壁の侵食を最小限に抑えることが重要です。したがって、生産を中断することなく炉床とBF壁の耐用年数を延ばすことができる方法は、経済的および技術的に非常に重要です。
BFの炉床に対する研磨および侵食の影響は、さまざまな条件、すなわち（i）高い周囲温度、（ii）液体製錬製品の継続的な移動、（iii）製品からの化学的活性、（iv）圧力および化学的ガスからの活動、および（v）BF炉床への水分の侵入。 BF炉床耐火物の摩耗の主な理由は、（i）高い炉生産性、（ii）長い炉停止の頻度（2日以上）、（iii）炉水冷システムからの水漏れ、および（iv）装入物の品質
BF炉床の侵食を減らすためのいくつかの対策があります。これには、（i）BF生産性の低下、（ii）石炭圧入率の低下、（iii）ステーブとカーボンブロック間のラミングマスのグラウト、（iv）一時的な詰まりが含まれます。羽口、（v）壁の冷却速度の向上、および（vi）TiO2（酸化チタン）含有材料の追加。 TiO2含有化合物の添加によるBF炉床のライニング寿命の改善は、最も広く使用されている方法です。 TiO2は、BF炉床のライニングを早期の侵食から保護します。
炉の上部からBFに供給される最も頻繁なTiO2含有材料は、Tiの天然源であるイルメナイト鉱石です。この鉱石は、チタンマグネタイト（Fe、Ti）3O4またはFeTiO3の形で発生し、イルメナイトと鉄鉱石（マグネタイトおよび部分的にヘマタイト）の機械的混合物です。イルメナイトの典型的な組成は、TiO2 – 33％、Fe2O3 – 36％未満、SiO2 – 25％未満、Al2O3 – 8％未満、MgO – 5％未満、水分– 6％です。鉱石のサイズは10mmから40mmの範囲です。上からの負担とともにBFにTiO2含有材料を充填する別の方法は、焼結、ペレット、または合成TiO2含有材料を使用することです。
炉床の損傷領域の摩耗と修理を減らすための現在の技術的実践は、化学的および熱的に安定な炭窒化チタンTi（C、N）を生成するイルメナイトの投入によるものです。これらの化合物は主に損傷箇所に蓄積し、いわゆる「ホットリペア」の効果があります。図1は、BF炉床におけるTi（C、N）の堆積物を示しています。
図1BF炉床への炭窒化チタンの堆積
BFに適切な量のチタン（Ti）含有材料を使用することは、炉床壁を保護するための効果的な方法であることがわかります。 Ti含有材料の添加は、耐火レンガ上に「チタンベア」と呼ばれる保護層の形成を促進すると考えられています。 「チタンクマ」は、Tiの炭化物、窒化物、および炭窒化物の沈殿物であり、供給物にTiO2が存在する場合、BF炉床領域で形成される可能性があります。表1は、TiNおよびTiC化合物のいくつかの重要な特性を示しています。
| タブ1炭化チタンと窒化チタンの特性 | ||||
| Sl。No. | TiC | TiN | ||
| 1 | ||||
| 2 | g / cum | 4.93 | 5.4 | |
| 3 | 3,157 | 2,950 | ||
| 4 | W /（m。K） | 29 | 38 | |
| 5 | 硬度（モース硬度） | 9 | 9 | |
| 6 | 硬度（ヌープ） | 2,470 | 1,800 | |
| 7 | 溶銑（1400℃）への溶解度 | ％ | ||
| 8 | ||||
| 9 | nm | 0.4305-0.4327 | 0.4323-0.4342 | |
| 10 | （10）-6 1 / K | 7.3 | 7.3 | |
| 11 | GN/兼 | 320 | 260 | |
| 12 | （10）-5 W.cum | 7 | 3 | |
Ti軸受材料の添加のこの目的は、HMへの温度依存性の溶解性を示す高温および高耐摩耗性のTi（C、N）化合物の生成に基づいています。温度低下により溶解限度に達すると、これは、より高い熱流束と外部への熱損失の結果として炉床の損傷領域に当てはまり、それぞれのTi（C、N）化合物が沈殿します。 HMから出て、耐火物のより深刻な損傷を受けたゾーンに堆積し、固有の「熱修復効果」があります。
BFにTiO2を添加するための2つの一般的なアプローチは、（i）予防的アプローチと（ii）修復的アプローチです。修復アプローチでは、BF炉床にTi（C、N）析出物の保護層を構築して維持するために、定期的にTiO2を投入します。修復アプローチでは、炉床温度が臨界レベルを超えて上昇すると、比較的大量のTiO2が帯電します。これらの大量の添加は、炉床温度が許容レベルで安定するまで維持されます。表2は、これら2つのアプローチでのBFへのTiO2添加時の一般的なパラメーターを示しています。
| タブ1BFでのTiO2添加時の一般的なパラメーター | ||||
| 1 | Kg / tHM | 3-5 | 5-20 | |
| 2 | ％ | 0.05 – 0.1 | 1.0 – 1.5 | |
| 3 | ％ | 1.0 – 1.5 | 1.5 – 3.0 | |
TiO2の化学反応のメカニズム
イルメナイトは、チタン酸鉄（Fe、Ti）3O4またはFeTiO3からなる天然鉱石です。 Ti（C、N）化合物の生成が発生する前に、まずBFでエネルギーの供給（コークス消費量3 kg/tから10kg/ tのイルメナイト）によってFeOとTiO2に分解する必要があります。
BFにTiO2含有化合物を添加する場合の3つの基本的な技術的メカニズムは次のとおりです。（i）熱力学的計算は、スラグTiO2濃度が約1.2％の場合、羽口レベルでTiO2がスラグ中のTi（C、N）と平衡状態にあることを示しています。 （ii）1.2％を超える濃度では、液体スラグの粘度とスラグ内の最大TiO2レベルおよび最大Ti濃度の増加により、TiO2が還元され、Ti（C、N）として沈殿します。スラグ中のTiO2レベルのそれぞれの上限を3％、HM内の最大Ti濃度を0.3％として、HM内を制御する必要があります。（iv）HM内のSiレベルが高いほど、Ti/TiO2の分配が高くなります。とスラグのより高い塩基性。
Ti（C、N）堆積のプロセスは、界面反応です。 Ｔｉ源の効果的な反応を達成するために、Ｔｉレベルがスラグ／ ＨＭ金属界面を通して上昇することが必要である。したがって、Tiの細かく分散した液滴をできるだけ早く大量かつ高い比面積で生成することが有利である。 Tiの微細に分散した液滴は、大量のTi（C、N）の形成に特に有利であることが証明されています。炉床のCブロック上の大きなTi（C、N）結晶は、耐火材料の表面への浸透によって誘発された濃度に起因する可能性があります。この蓄積により、結晶成長が加速され、堆積物が安定します。
BFに充填されたTi含有材料は、式TiO2 + 2 C =Ti + 2 COに示すように、直接還元によってのみ還元されます。 H =169773 Kcal/mol。炭窒化物の形成は拡散プロセスによって制御されるため、より多くの時間が必要です。 TiO2から還元された後のTiはHMに沈殿し、炭素および窒素と反応してTi（C、N）を形成し、炉床に保護層を形成します。炉床ライニングの侵食された領域での保護層の形成の成功は、HMの流れと熱伝達、したがって炉の運転条件に大きく依存します。さらに、必要なＴｉＯ ２含有材料の量は、保護層を形成するのに十分であるが、同時に、過剰量がＨＭおよびスラグの後処理に悪影響を与えるので最小化されるべきである。開発されたTi（C、N）摩耗の形成メカニズムは以下のとおりです。
TiO2をTi（C、N）に変換するための触媒として金属鉄が必要です。 BFにTiO2を添加すると、スラグ相に溶解し、式（i）TiO2 + C =Ti + CO2および/またはに従って、HMとスラグの相界面でシリコンまたは炭素によって金属Tiに還元されます。 （ii）TiO2 + Si =Ti+SiO2。この形成されたTiは、（溶解度が高いため）HMにすぐに溶解します。濃縮されたHMにあるTiは、HMフローとともに炉床の損傷ゾーンに輸送されます。溶解した金属Tiは、HMに溶解したCおよびNと反応して、式xTi + yC、zN =TiN、TiC、およびTi（C、N）に従ってTi（C、N）化合物を形成します。 Ti（C、N）の溶解度がHMにある場合、Ti（C、N）化合物は、より低い温度（高熱流束領域）の場所で沈殿します。図2は、BF炉床におけるTi（C、N）保護層の形成メカニズムの視覚化を示しています。そして、リライニングのために停止された後、BFから取り出された炉床上のTi（C、N）の保護層の一部。
図2TiO2によるBF炉床の保護
BF操作での[Ti]/[TiO2]平衡に影響を与える要因には、（i）炉床温度、（ii）スラグ塩基度、および（iii）HMのシリコンレベルが含まれます。さまざまなTi/TiO2平衡とHMシリコンでの温度とTiO2負荷の一般的な関係を、図3に示します。融点が2959℃のTi（C、N）は、炉底と壁に析出します。時間の経過とともに沈殿した堆積物は、炉床ライニングの内面を保護し、BFキャンペーンの寿命を延ばすのに役立ちます。これは、吹き飛ばされたBFのサンショウウオに見られるTi（C、N）の大量の堆積物から証明されています。
図3さまざまなTi/TiO2平衡およびHMシリコンレベルでの炉床温度とチタン負荷の関係
BFでTiO2を帯電させる方法
TiO2含有化合物は、負担材とともに上からBFに添加するか、複数の羽口からBFに注入することができます。上からの負荷とともに帯電したTiO2含有材料の場合、シャフトの全長にわたって分布が発生し、その結果、反応に遅延が生じます。その結果、投入量が実際に必要な量よりも多くなり、スラグの品質が低下し、シャフトに時折堆積物が発生します（非アクティブな負担）。通常、TiはBFの断面全体に均一に分布しています。ただし、Tiは炉床の壁ゾーンでのみ必要です。したがって、より多くの投入量が必要であり、これはHMとスラグの品質に悪影響を及ぼします。 TiO2含有材料の充填量の増加によるHMのTi含有量の増加により、スラグに含まれるTiO2が増加し、これがセメント製造の添加剤としてスラグを使用する際の制限要因となる可能性があります。
BFに注入されたときのTiO2ベアリング材料は、TiO2合成材料の微粒子の形をしています。これらのTiO2合成材料の微粒子は、BF炉床付近の羽口からBFに注入されます。炉床ゾーンのすぐ近くにある羽口を通して微粒子TiO2源を局所的に注入することは、BFにTiO2を輸入するためのより効果的な方法です。この技術は、（i）難燃性の危険な領域のすぐ近くで注入が行われるなど、一連の利点を提供します。これは、少ない投入量で可能な限り最良の結果を体系的に達成できることを意味します。炉壁に「ホットスポット」がある場合でも、修復作用が発生します。（iii）BFシャフトにTiO2含有材料が蓄積しない、（iv）TiO2含有材料が直接反応サイトに運ばれる羽口レベルおよび炉床では、シャフトおよび凝集ゾーンで発生する反応に関係なく、気相、金属およびスラグ相の相互作用に直接影響を与えることができ、（v）より低い投入率およびより高い効率Ti（C、N）化合物に変換すると、スラグ中のTiO2含有量が少なくなるため、スラグの品質が向上し、BF粒状スラグの品質が低下することはありません。
TiO2の合成源の工業的使用は、重要なBF炉床ゾーンへの体系的な注入による温度の大幅な低下を示しています。材料を精密に注入することで、「ホットスポット」が発生した場合に損傷した領域を迅速に修復できます。ただし、合成製品を使用するには注入システムが必要です。このシステムは、収納ビン、圧力ロック、供給容器、排出ノズル付きのロータリーフィーダー、および最大4つの羽口に同時に配送するための対応する寸法の搬送ラインで構成されています。配送量は10kg/分〜60kg/分程度とします。要件とニーズに応じて、最も適切な羽口を選択して提供できます。自動化のコンセプトにより、収納棚の充填を除いて、完全に自動化された操作が可能になります。
製造プロセス