高炉の操業慣行とキャンペーンライフ

高炉の運用慣行とキャンペーンライフ

高炉（BF）の再建または再ライニングのコストは非常に高くなります。したがって、BFキャンペーンの寿命を延ばすための手法は重要であり、非常に積極的に追求する必要があります。

大きなBFは通常、ユニットボリュームあたりのキャンペーン出力がわずかに高くなります。この違いは、BFが大きいほど、一般的に最新の設計であり、十分に自動化されているためです。統合された鉄鋼プラントの実行可能性は溶銑（HM）の継続的な供給に依存するため、大型炉の数が少ないプラントでは、キャンペーンの寿命を延ばすことが非常に重要になります。

BFキャンペーンの寿命を延ばすための手法（図1）は、次の3つのカテゴリに分類されます。

• 運用慣行– BFプロセスの制御は、キャンペーンライフに大きな影響を及ぼします。 BFは、生産ニーズを満たすだけでなく、その寿命を最大化するためにも運用されます。したがって、キャンペーンの進行に合わせて、キャンペーンの寿命を最大化するために問題のある領域に対応して、運用慣行を変更する必要があります。
• 是正措置– BFの寿命に影響を与える摩耗または損傷が明らかになった場合、キャンペーンの寿命を最大化するために、エンジニアリング修理技術を使用または開発する必要があります。
• 改善された設計–改善された材料と機器が開発されると、これらは将来の再構築に組み込まれ、費用効果の高いBFの重要な領域の寿命を延ばします。

図1高炉キャンペーンの寿命を延ばすための手法

この記事では、キャンペーンライフを改善するための運用方法について説明します。BFキャンペーンライフに影響を与える運用方法については、以下で説明します。

生産性

BFの生産性は、通常、1日あたりの単位BFボリューム（cum）あたりのHMのトン（t）で表されます。高い生産性には、より高い負荷降下率での材料のスループットの向上が含まれます。大量の液体製品を除去するための炉床活動の増加。BFが激しく駆動されると、操作の安定性が影響を受け、負荷の降下がスムーズでなくなり、溶融ゾーンが高くなります。これらはBF壁の摩耗に影響します。液体製品は炉床の摩耗を促進し、より困難なタップ穴の状態をもたらします。

生産性が低いと、熱風の量が長期間少なくなるため、負荷分散に適切な変更を加えない限り、爆風の浸透が減少し、BF壁へのガスの流れが増加します。炉床の状態に悪影響を及ぼします。

長いキャンペーン寿命を達成したBFの生産性のレベルを考慮すると、これらのBFがキャンペーンの大部分で最大限の可能性を発揮して運用されていないことは明らかです。ファクターは安定した一貫した操作であり、壁と炉床を監視および保護するための手法が採用されています。このような操作は、最大出力を下回る生産レベルでより簡単に達成できます。ただし、生産性指数（t / cum /）の普遍的な値を定義することは困難です。日）これを達成するために、インデックスはBFの駆動速度以外のいくつかの要因によっても影響を受けるためです。これらは、BFの内部形状、耐火摩耗の状態、地域の動作条件、および保守期間などです。

キャンペーンライフを最大化するには、BFを安定して制御された方法で運用できるようにするための戦略が必要です。多くのBF再構築では、出力を増やすのではなく、内部ボリュームを増やす必要があります。より低い生産性レベルで生産目標を達成できるようにすることで、より安定した運用とより長いキャンペーン寿命の可能性を提供します。

BFを頻繁に停止すると生産性が低下するのは事実ですが、停止/開始操作の数が多すぎるため、キャンペーンの寿命も短くなります。単位ボリュームあたりのキャンペーン出力が減少します。ダウンタイムの割合に不釣り合いです。この基準で測定される長いキャンペーンは、長時間の停止なしにBFを継続的に運用することで最もよく達成されます。

炉の完全性を保護し、キャンペーンの早期終了を回避するために、BFで特定された問題領域に対処するために、生産性の短期的な低下も必要です。

負担

合理的な生産性レベルでBFを安定して運用するには、高品質のコークスが必要です。実際、コークスは運用期間が短い主な理由の1つです。運用期間が短いと、多くの場合、 BFライニング、ひいてはキャンペーンライフを破壊する可能性のある不安定な、さらには冷え込んだ作戦。

コークスは、機械的破壊を最小限に抑えて荷物の重量を支えるために、丈夫で安定している必要があります。十分に大きく、サイズが狭く、浸透性のあるベッドを作成するための罰金を最小限に抑える必要があります。液体は上昇するガスを制限することなく炉床に滴下できます。透過性の望ましくない変動を回避し、放射状のガスの流れを制御するためにBF半径全体でコークス層の厚さを変化させるという概念をサポートするには、一定のサイズが必要です。コークスは十分にある必要があります。溶液の損失に反応せず、そのような条件下でその強度を維持し、アルカリが少ないため、レースウェイでのアルカリガス化が最小限に抑えられます。これは、コークスの分解や炉の耐火物に悪影響を及ぼします。コークスの水分と炭素含有量の変動を最小限に抑えるように制御する必要があります。プロセスの熱状態への影響。

高レベルの羽口炭化水素注入では、それに応じてチャージされるコークスの割合が減少し、その結果、コークスの品質がさらに重要になります。

高炉の長寿命と互換性のある安定した運転のための普遍的なコークス品質を指定することは困難です。これは、操作の種類によってコークス要件が異なるだけでなく、物理的特性もコークス炉と高炉の間のサンプリングポイント。

複数の供給源からのコークスを使用する場合は、適切な混合が必要であるか、異なる特性のコークスの比率が変動すると不安定な状態になるため、異なるコークスを個別に充電することが不可欠です。 BF。

BF中心のコークスは、炉床の死者とコークスを徐々に置き換えます。炉床の中心を横切って液体を排出するには、透過性を維持する必要があります。これにより、炉床のHMは、側壁の基部で重度の耐火摩耗を引き起こす可能性があります。炉床パッドの中心温度の上昇は、通常、炉床中心の活動の増加を示すデッドマンコークスサイズの増加とともに観察されます。コークススクリーンは、炉床の浸透性を維持するための重要なパラメータです。通常、スクリーンサイズを大きくし、鉱石の負担と混ざり合って発生する追加の小さなコークスをBF中心線から離れて充電することが有益です。

高品質のコークスを使用する目的は、大きなコークスがBFの下部領域に確実に到達するようにすることです。これを監視するには、コークスを時々羽口レベルでサンプリングすることが望ましいです。炉内でのコークスの分解を評価するため。これは通常、計画されたメンテナンス中に実行されます。コークスの大量のサンプルが羽口の開口部から掻き出され、その特性が対応するフィードコークスのサンプルと比較されます。このように、他の要因が影響します。コークスのサイズも特定できます。

良質で一貫性のあるコークスと、ストックラインとボッシュコークスの両方を監視することは、キャンペーンライフを長くするための重要な戦略であることは明らかです。

鉱石の負担の組み合わせ

BFは、石灰華、ペレット、サイズ鉄鉱石（SIO）など、さまざまな鉱石負荷コンポーネントで運用されています。鉱石負荷にはさまざまなフラックスも使用されます。

回収されたスクラップ、鉄の微粉、ミルスケール、転炉スラグ、イルメナイト、リサイクル廃棄物、さらには直接還元鉄や粒状鉄など、少量の他の材料も鉱石の重荷に使用されることがあります。これらの材料の使用は通常、地域の要因によって異なります。

通常、統合製鉄所には焼結プラントがあるため、これらのプラントのBFは、主にSIOおよび/またはペレットで構成される負荷のバランスを取りながら、負荷に焼結体の大部分を使用します。ペレットが推奨されます。いくつかのプラントでは、優れた特性のために負担のバランスをとるためにSIOを超えています。

世界中で、BF負荷のペレットの割合は0％から100％まで変化します。さまざまなプラントでの経験から、ペレットの割合が高いBFは、下部の熱負荷の変動が大きくなることが示されています。スタックとボッシュ、スタックとボッシュの摩耗が過度に低くなり、キャンペーンライフが短くなります。この理由の1つは、負荷分散の制御が不十分なことです。ペレットは、シンターやコークスよりもはるかに低い静止角度を持ち、着陸時に傾斜したストックラインは、転がりやすい傾向があります。これにより、BFの中心に向かって比較的厚い鉱石層が生じ、BFの壁での過剰なガスの流れが促進されます。

この状況は、下部シャフトに高密度冷却を追加し、負荷分散装置を改善することで対処されています。低いステーブ温度の変動、スリップの増加、およびHM温度の変動は、ペレットチャージで観察できます。センターコークスの充填とペレットへのナットコークスの追加により、負荷分散制御によって制御されます。

個々の負荷コンポーネントの重要な側面は、軟化および溶融特性です。BF全体の圧力降下の大部分は、鉱石負荷が軟化、溶融、および滴下している領域にあります。ガスが上昇するコークス床。溶融と軟化の範囲が広いと、圧力損失が増加し、下部シャフトのレンガに大きな凝集帯の根が衝突し、耐火物が望ましいよりも広い領域で高温にさらされます。より低い壁温度および/またはより少ない熱変動は、シャフトレンガ作業の寿命を延ばすのに役立ちます。

複数のコンポーネントの負荷の溶融および軟化特性は、個々のコンポーネントの特性とは異なります。したがって、軟化および溶融のテストデータは、個々の負荷の構成要素だけでなく、鉱石負荷の選択を支援するために提案された鉱石混合。

熱的および化学的変動を最小限に抑えるには、均一な負荷が望ましいです。負荷コンポーネントは可能な限り密接に混合する必要があります。これは、負荷コンポーネントの数と個々の充電システムによって異なりますが、通常、貯蔵バンカーの選択と材料の排出順序によって、妥当な程度まで達成できます。

材料の品質が一貫しており、適切な壁冷却能力と適切な分配制御が利用可能であれば、さまざまな負担を使用して安定したBF操作と長いキャンペーン寿命を達成できます。 >

鉱石の負担の質

安定した操業には浸透性BFが必要です。鉱石の負担が強く、サイズが狭く、微粉を除去するために効率的に選別することが重要です。スタック内で過度に崩壊して追加の微粉を生成してはなりません。 。十分に多孔性で、還元可能で、軟化ゾーンに到達するまでに効果的に還元できるサイズである必要があります。このようにして、凝集ゾーンの制限が緩和され、FeOに富むスラグが少なくなり、下部の熱負荷が減少します。 BFの領域は低く、スムーズな操作を促進します。

鉱石成分の軟化および溶融特性は、BFの動作に重要な影響を及ぼします。凝集ゾーンの制限と不十分な溶融特性により、不規則な負荷降下、不安定な動作、および熱が発生する可能性があります。変動。これらの条件により、BFの壁の寿命が短くなる可能性があります。

標準化された軟化および溶融試験はなく、直接還元の開始、溶融中の圧力降下、滴下した材料の量など、軟化および溶融温度を表すために引用された多くの指標があります。

負担の分散

負担の分散は、BFのキャンペーン寿命に影響を与える主な要因の1つです。これは、動作の安定性に影響を与えるだけでなく、BFの半径方向のガス流量を決定することによって次のようになります。 BF壁の摩耗率を制御する主な要因の1つ。

コークスのサイズは通常大きいため、通常、半径方向のガスの流れは、鉱石とコークスの比率によって制御されます。これは通常、材料を個別の層に充填し、層の厚さを変化させることによって実現されます。 BFの半径。したがって、BF壁の保護は、壁の鉱石層の比率を増やすことによって達成されます。これにより、壁冷却システムによって除去される熱の量が減少します。ただし、比率には制限があります。不活性層の形成を回避するためにBF壁に近い鉱石材料を使用することで、壁の付着物の形成を促進し、BFの下部領域への準備されていない負担を許容し、羽口損失を増加させる可能性があります。 BFは、望ましい生産レベルで安定したBF運転を可能にするのに十分でなければなりません。コークスの大部分は、下降する液体が少なく、比較的透過性の高い領域を作成し、最大のブラスト量を使用できるようにします。爆風圧の大きな変動と不規則な負荷降下を引き起こします。

BFの中央にあるコークスが炉床のコークスに置き換わり、コークスが豊富な透過性の中心が透過性の炉床を促進します。これにより、炉床を横切る液体の流れが決まります。中央のコークス煙突はそうではありません。このような場合、上昇ガスの熱容量が大きすぎるために、炉の上部の特定の部分に非効率が生じ、損傷が発生する可能性があります。

スプリットサイズ充電

より洗練された流通システムは、所与の材料の複数のサイズ範囲を利用することにより、負担配分の追加の制御を可能にします。最も一般的に使用される方法の1つは、多くの場合、主要な鉱石負荷のスクリーニングからの微細な鉱石材料の投入です。微粉はBF壁の近くで少量ずつ別々に帯電し、透過性を局所的に低下させ、それによって壁を保護します。より細かい材料の別の小さなバッチを充電すると、通常、BFの充電容量が減少します。

ナッツコークス

柔軟な充電システムにより、ナットコークスナットを使用できます（通常のサイズは10mmから30mmの範囲です）。鉱石負荷に混合され、中央半径に沿って配置されたナットコークスの充填は、凝集ゾーンの鉱石層の還元効率と浸透性を改善することによって操作を改善します。ナットコークスの充填により、透過性が向上し、腹の温度が低下します。 2つの鉱石チャージの間に挟まれた壁にチャージされたナットコークスは、細かい鉱石が壁にチャージされたときに非アクティブな壁領域を防ぎます。ペレットにナッツコークスを添加して安息角を大きくし、BFセンターでの鉱石負荷の割合を減らします。

サイズの分離

多くの充電システムは、入力材料にある程度のサイズの分離を作成します。排出する最初の材料がより細かく、最終的な材料がより粗い場合、この特性を利用して、半径方向のサイズ分布、したがって半径方向のガス流量分布に利益をもたらすことができる。このタイプの分離は、一般に、スキップチャージ炉ではなくベルトチャージ炉で発生し、ベルレストップでより制御しやすくなります。適切な変更を充電システムに追加して、目的の分離特性を強化することもできます。

追加の放射状サイズの分離は、傾斜したストックラインをロールダウンすることによっても発生する可能性があります。 1つのコンポーネントのサイズ範囲と化学的性質が異なる場合、サイズの分離により、BF半径に沿った負荷の溶融および軟化特性も変更される可能性があります。

一部の充電システムでは、負荷分散に円周方向の変動が生じます。これらの変動は、設計または操作によって最小限に抑える必要があります。

センターコークス充電

安定した運用のために十分なセンターの作業を促進するために、通常、BFセンターではコークスの大部分が必要です。これは、生産性が高い場合や、高レベルの羽口炭化水素注入で操作する場合に特に当てはまります。しかしながら、炉の中央で完全にコークスを使用して運転することは燃料効率が低く、中央のコークス充填のこの領域の幅を最小化するための技術が開発されてきた。ベルレストップでは、これは、回転シュートを完全に下げた状態でコークスの少量のバッチを充電することによって実現されます。

炉床の中心を横切る液体の流れを促進し、過度の側壁摩耗を引き起こす可能性のある周辺の流れを減らすために、透過性のコークス床が炉床に必要です。死者と炉床のコークスは、炉の中心からのコークスに徐々に置き換えられます。センターコークスチャージは、BFセンターでの鉱石材料の割合を減らし、炉床の浸透性を向上させます。炉床の透過性は、中央でより大きな安定したコークスチャージを行うことでさらに改善できます。

スロートアーマーライフ

キャンペーンライフを長くするには、負担物の直接的な衝撃によって引き起こされる固定スロートアーマーの摩耗を最小限に抑えることが重要です。スロートアーマーを修理したり、保護プレートを組み込んだりすることは可能ですが、これには長時間のメンテナンス停止が含まれる場合があり、それ自体が炉の寿命に悪影響を与える可能性があります。したがって、このような負担の影響を回避するために、負担の分布と使用するストックラインの高さを選択する必要があります。

溶銑の品質

炉床に保護頭蓋骨なしで操作する場合、炉床の炭素は通常、鉄とスラグの溶液攻撃によって除去されます。鉄が炉床耐火物に接触する前に早期に浸炭することで、そのような炉床の摩耗を最小限に抑えることができます。

早期の浸炭には、液体とコークスの長時間の接触が必要です。与えられた生産性で、これはより高い滴下ゾーンとより高い凝集ゾーンを持つ死んだ男によって促進されるかもしれません。これにより、通常、HMシリコン（Si）が増加します。一般に、炭素飽和レベルはSi含有量の増加とともに減少します。その結果、与えられたBFサイズとHM温度に対して、HMはより高いSiレベルで飽和に近くなります。

さらに、HM Siの増加は、HM液相線温度を上昇させ、それによってその流動性を低下させます。これは、炉床内の流速を低下させ、炉床耐火物上に固化層の形成を促進する傾向があります。

より低いHM温度では、鉄の炭素飽和レベルはより低く、より早く達成されます。 HM温度が低いと、鉄の粘度が高くなり、周辺の流れが減少し、保護用の頭蓋骨が溶解して細かい亀裂や毛穴に浸透する傾向が減少するという追加の利点があります。

より高いHMSiとより低いHM温度を一緒に達成することは困難です。なぜなら、より高い凝集ゾーンは通常、より暖かい炉をもたらすからですが、全体的な効果は、炉床に入るHMが炭素飽和に近づくことです。高いトップ圧力の低下は、BFの熱状態に影響を与えることなくSiのわずかな増加をもたらす可能性があります。炉床炭素が溶解する可能性は、Siレベルが高いほど低くなります。

羽口の直径

羽口の直径は、特定の動作条件に対して適切な爆風の浸透を確保し、過剰なガスがBF壁を上昇するのを防ぐために選択されます。羽口のサイズの選択は、BFの中心作業の程度と、ボッシュおよび下部シャフト壁の保護の程度に影響します。通常、ガスの流れの円周方向のバランスを確保するために、BFの周りの羽口の直径を変える必要があります。

羽口のサイズは慎重に選択されていますが、羽口を変更すると、特に長寿命が達成されると、直径の大幅な増加がしばしば観察されます。これは上記の両方の要因に影響し、一定期間後に羽口を交換することは、羽口の摩耗の影響を最小限に抑えるだけでなく、BFへの水漏れの可能性と予定外の数を減らすためにキャンペーンライフの観点から有利です。失敗した羽口を変更するための爆破期間。

タップ穴の真上にある羽口の直径は、スムーズな鋳造を促進し、タップ穴の上の鉄の製造を減らすために、しばしば縮小されるか、羽口が閉じられます。

問題のある領域での滴り落ちる液体と炉床の活動を減らすために、炉床の側壁温度が高いことに応じて、羽口の直径が局所的に小さくなることがよくあります。これは、羽口インサートの追加または羽口の交換によって行われます。ひどい場合、または短期間の緊急措置として、問題の羽口は粘土で塞ぐことによって閉じることができます。これは多くの場合、対応する炉床の側壁温度を下げるのに急速な効果があります。

キャストハウスの慣行

キャストハウスの慣行は、炉床内の液体の流れを制御し、レースウェイに衝突して爆風の分布に影響を与えたり、羽口や吹き矢の損傷を引き起こしたりする可能性のある高い液体レベルを回避する上で重要な役割を果たします。これらの要因は、運用の安定性に影響を及ぼし、爆発的な期間をもたらし、キャンペーンライフに影響を与える可能性があります。

タップ穴の長さ

タップ穴が長くなると、溶融生成物は炉床の下部からだけでなく、炉床の中心に近い点からも引き出されます。これにより、タップ穴付近の周辺の流れが減少し、炉床の側壁の摩耗が減少します。タップ穴の長さを伸ばすには、一定期間にわたって注入されるタップ穴の量を増やし、BFの内側のキノコのサイズを徐々に大きくする必要があります。これにより、タップ穴の下の耐火物も保護されます。タップ穴の長さが短く、間隔の広いタップ穴から交互に鋳造すると、側壁の温度変動が大きくなり、耐火物の侵食が増える可能性があります。

炉床の側壁温度は十分であるが、凍結層の喪失および／または炉床の炭素溶解のために、高い炉床パッド温度が発生する可能性がある。このような場合、注入されるタップ穴の質量を減らし、場合によってはタップ穴の傾きを減らすことによって、タップ穴を短くする必要があります。これは、BFセンター付近のHMフローを減らし、炉床パッドに保持される液体を増やすのに役立ちます。

タップ穴の直径

所定の生産性を維持するために必要なタップ穴の直径は、鋳造時間の比率、トップ圧力、スラグ量、炉床コークスのサイズ、液体粘度、タップ穴の質量の特性などのBFパラメーターによって異なります。タップ穴が所定の生産率に対して小さすぎる場合、炉を乾式することはできません。タップ穴が大きすぎると、炉床の反対側の液体が下降する前にタップ穴の上の液体が除去されるため、タップ穴が時期尚早に吹き飛ばされるため、鋳造中に炉から除去される溶融生成物が少なくなる可能性があります。コークスベッド。どちらの場合も、炉床内の液面は高いままであり、最終的には安定した運転に影響を及ぼします。したがって、経験から得られる最適なタップ穴のサイズが必要です。

単一のタップ穴を使用する場合は、BFをキャストドライし、キャスト間でタップホールの塊が硬化するのに十分な時間を提供できるようにサイズを選択する必要があります。代替のタップ穴が使用されるBFでは、炉全体の排水を確保するために、特定の操作条件下で異なるサイズのタップ穴が必要になる場合があります。

炉床パッドで摩耗が発生しているマルチタップ穴BFでは、タップ穴の直径を大きくすることが望ましい場合があります。これは、タップ穴の長さの減少とともに、炉床パッドを横切る鉄の流れを減らし、鋳造終了時の炉床の残留鉄を増やし、それによって炉床パッド上に凍結層の形成を促進します。

タップ穴の質量

タップ穴の質量特性は、BF操作にとって重要です。固まりは急速に固まり、キャスト間で完全に硬化して、強力で耐久性のあるタップ穴を作成する必要があります。タップ穴の塊は、液体の流れに抵抗し、タップ穴の下の炉床耐火物を保護する強力で永続的な構造を構築するために、優れた接着特性を備えている必要があります。

数、位置、パフォーマンス

中型のシングルタップ高炉で高い生産性を実現できます。ただし、複数のタップ穴が使用できる場合には利点があり、これはより高い生産レベルで必要になります。炉の反対側にあるタップ穴から交互に鋳造すると、より効果的な炉床排水が可能になり、タップ穴の塊が完全に硬化するまでの期間が長くなり、より耐久性のあるタップ穴が得られます。 2つのタップ穴の存在により、ブラストをオフにする期間を必要とせずに、メインのアイアンランナーの大規模な改修が可能になります。マルチタップ穴BFの炉床壁にホットスポットが発生した場合は、侵食された領域の周辺の流れを促進しない代替のタップ穴を使用できる可能性があります。マルチタップホール炉では、周辺の流れに起因する側壁の摩耗が周囲に均等に広がります。

大きくて生産性の高いBFの場合、4つのタップ穴があり、一方のランナーが修理され、もう一方のランナーがスタンバイ状態のときに反対のペアを操作できるようにすることが望ましいです。側壁の摩耗を均一にし、完全な炉床の排水を促進するには、これらは理想的には90度間隔で配置されます。

キャストの頻度とレート

鋳造速度は、使用するタップ穴のドリルサイズ、タップ穴の質量の摩耗特性、上部圧力、液体の粘度、および使用中のタップ穴の数によって決まります。最新の高性能タップ穴の質量では、鋳造の数を減らす傾向があり、それによってタップ穴の操作コストが削減されます。鋳造速度を下げることにより、炉床内の液体速度は低下しますが、それらはより長い期間続きます。マルチキャストハウスBFでは、反対側のタップ穴から同時にキャストする可能性があり（ラップキャスト）、キャスト時間よりも短い時間でタップ穴の質量が完全に硬化し、人的資源とロジスティクスによって可能になります。この手法は、炉床内の流速を低下させますが、多くの場合、液面が高いとき、またはBFを爆発から外す前にのみ使用されます。

BF操作の中断を最小限に抑えるために、長いキャスト遅延は絶対に避けなければなりません。これには、キャストハウス機器の優れた設計と信頼性の高い操作、優れたキャストハウスの慣行、およびHMレードルの適切に調整された輸送が必要です。

アルカリと亜鉛

アルカリ金属と亜鉛は、BFプロセスと耐火物に悪影響を及ぼします。負担は、最小限の経済的レベルでアルカリと亜鉛の含有量を持つことです。通常、アルカリと亜鉛は5 kg / tHM未満のレベルで制御されます（ベストプラクティスは2 kg / tHM）が、下降する負荷にアルカリ蒸気が凝縮することにより、BFに大きな再循環負荷が発生する可能性があります。これにより、焼結物の劣化とコークスの分解が増加し、壁の付着物の形成が促進されます。これらはすべて、不規則な負荷降下とBFの不安定な動作を引き起こす可能性があります。

アルカリと亜鉛は、ガス状で、BF壁耐火物の亀裂と細孔に浸透します。結果として生じる化学的攻撃と熱サイクルは耐火物の表層を弱め、最終的には下降する負荷によって除去され、プロセスを繰り返すことができます。

キャンペーン終了後の炉床解剖では、側壁の基部で過度の摩耗が発生し、通常、シェルとカーボンの高温面の間に脆性ゾーンが形成されることが示されています。アルカリと亜鉛は、この脆弱なゾーンで高レベルで見つかることがよくあります。これらの化合物を含むさまざまな分解メカニズムが提案されています。側壁の応力と熱亀裂により、ガス状のアルカリと亜鉛が浸透し、細孔に堆積します。これは、レンガの膨張、脆化、さらなる膨張、そして最終的には耐火物の破壊につながります。耐火物の高温面で付着物または頭蓋骨が凍結すると、アルカリおよび亜鉛からのかなりの程度の耐火物保護が達成され、それによって耐火物を化学的攻撃から保護します。

アルカリの大部分はスラグで除去され、残りはトップガスで除去されます。ただし、スラグの慣行、熱状態、および負荷分散は、アルカリ除去において主要な役割を果たします。スラグの塩基度が低下すると、中央作業の程度が広がるか強化されることにより、BFの熱レベルまたは最高温度の上昇としてスラグから除去されるアルカリの量が増加します。さらに、与えられたアルカリ負荷に対して、負担の滞留時間が長くなるため、羽口炭化水素の注入率が高い操作では、コークスの劣化が大きくなる可能性があります。アルカリと亜鉛の投入量と排出量のバランスを監視し、スラグとトップガスでの除去を促進するために、これらの元素の投入量と互換性のある熱的および化学的レジームでBFを操作することが重要です。

TiO2の添加

BFでのキャンペーン終了時の炉床ライニングのサンプルには、通常、チタン含有堆積物が含まれています。これらは、囲炉裏の側壁の侵食された領域、サンショウウオ、レンガの細孔や接合部に保護層を形成します。チタンは通常、炭化チタン（TiC）と窒化チタン（TiN）の固溶体である炭窒化物Ti（C、N）の形をしています。したがって、現在、これらの保護層を促進するために、BFにチタニア（TiO2）を導入することが実践されています。 TiO2の導入には、通常3つの方法が使用されます。 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.