高炉の運転性能を改善するための技術

高炉の運転性能を改善するための技術

高炉（BF）は将来への投資です。したがって、すべての機器、システム、およびコンポーネントの適切な寸法があり、高炉の性能を向上させるために、望ましい生産と品質を保証する技術を組み込む必要があります。これは、高炉が資本修理に行く場合に特に当てはまります。資本修理の際、高炉の運転性能を改善するための技術を組み込むことで、高炉の性能、人員の安全、メンテナンス要件の緩和、環境コンプライアンスに対する新たな要求も満たされます。

高炉オペレーターにとっての重要な課題は、常に、均一な品質と可能な限り低いコストで、溶鋼工場に溶銑を継続的かつ確実に供給することでした。溶銑の生産が中断されると、下流の生産および処理施設で停止が発生する可能性があります。高炉キャンペーンの寿命をできるだけ長く延ばす必要がある間、ダウンタイムを最小限に抑える必要があります。高炉の運転パラメータの変動は、溶銑の品質を均一にするために回避する必要があります。これは、適切な技術と高度な自動化およびプロセス制御ソリューションを適用することによってのみ可能です。

いくつかの技術があり（図1）、採用すると高炉の運転性能が大幅に向上し、生産性と燃料消費量の両方の点で効率が向上します。これにより、高炉の単位体積あたりの溶銑生産率が向上し、BFコークスの消費量が削減されます。主なテクノロジーのいくつかを以下に説明します。

図1BFの動作パフォーマンスを改善するためのテクノロジー

炉内容積の増加

炉の耐火ライニングと炉の冷却に高度な技術を使用することにより、炉の資本修理中の炉のライニングの厚さを減らすと同時に、炉のキャンペーン寿命を延ばすことができます。ライニングの厚みを薄くすると、高炉の内容積が増加し、炉の生産能力が向上します。これにより、炉キャンペーン全体で一貫した炉温度プロファイルも得られます。炉の耐火物ライニングに使用される改良された耐火物には、上部スタックの耐食性アルミナ耐火物、ボッシュとベリーの炭化ケイ素耐火物、セラミックパッド付きの耐食性カーボンハース壁が含まれます。炉の冷却には、高熱流束ゾーンで銅製のステーブが使用され、他のゾーンでは鋳鉄製のステーブが使用されます。鋳鉄製のステーブは通常、独立した冷却機能を備えています。

鉄の負担の質

安定した操業に不可欠な透水性高炉を確保するためには、鉄の負担が強く、サイズが狭く、微粉を除去するために効率的にふるいにかけることが重要です。スタック内で過度に崩壊してはならず、追加の罰金が発生します。それは、材料が軟化ゾーンに到達するまでに適切に還元されることができるように、十分に多孔性で、還元可能であり、適切なサイズでなければならない。このようにして、凝集ゾーンは制限が少なく、FeOに富むスラグが少なくなり、炉の下部領域の熱負荷が低くなり、スムーズな運転が促進されます。効率的な操作のための、焼結鉱、校正済み塊鉱石、および/またはペレットの物理的および冶金学的特性に関する要件を満たす必要があります。鉄成分の軟化および溶融特性は、高炉の運転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は、不規則な負荷降下、不安定な動作、および熱変動を引き起こす可能性があります。

個々の負担成分を選択する際に考慮すべき重要な側面は、それらの軟化および溶融特性です。高炉全体の圧力降下の大部分は、鉄の負荷が軟化し、溶融し、ガスが上昇するコークス床を滴下している領域にあります。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ます。

コークスの品質

合理的な生産性で高炉を安定して運転するには、高品質のコークスが不可欠です。これは、運用期間が短い理由として最もよく挙げられるものの1つです。コークスは、機械的な故障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。上昇するガスを制限することなく液体が炉床に滴下できる透過性のベッドを作成するには、十分に大きく、サイズが狭く、微粉が最小限である必要があります。透過性の望ましくない変動を回避し、半径方向のガス流を制御するために炉の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、一貫したサイズが必要です。コークスは、溶液の損失に対して十分に非反応性であり（コークス反応性指数、CRI、通常値20％〜23％）、そのような条件下でその強度を維持し（反応後のコークス強度、CSR、通常値65％〜68％）、アルカリが少なく、レースウェイでのアルカリガス化を最小限に抑えます。これは、コークスの分解に悪影響を及ぼします。溶銑硫黄を最小限に抑えるには、低硫黄含有量も必要です。プロセスの熱状態への影響を最小限に抑えるために、コークスの水分と炭素含有量の変動を制御する必要があります。

炉床のコークスは、炉床のデッドマンとコークスに徐々に置き換わります。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、炉床内の溶銑の過剰な周辺流が回避されます。炉床パッド中心温度の上昇は、通常、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。これは、炉床中心活動の増加を示しています。コークススクリーンの開口サイズは、炉床の透過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、鉄の負荷と混ざり合って発生する追加の小さなコークスを炉の中心線から離れて充電することは有益です。

高品質のコークスを指定する目的は、大きなコークスが炉の下部領域に確実に到達するようにすることです。この目的を長期的に監視するために、時折、羽口レベルからコークスをサンプリングして、炉内でのコークスの分解を評価することをお勧めします。これは通常、計画されたメンテナンス中に実行され、多くの場合、羽口の変更と組み合わせて実行されます。コークスの大規模なサンプルが羽口の開口部から掻き集められ、対応するフィードコークスのサンプルと比較されます。

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。負担の要素は、可能な限り密接に混合する必要があります。これは、負担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。

ナッツコークスの充電

柔軟な充電システムにより、ナットコークスを使用できます。充電に利用できるナットコークスのサイズは、コークス炉電池のコークス選別ユニットの高炉コークススクリーンのサイズと効率によって異なりますが、通常は10mmから25mmの範囲です。鉄系材料に混合され、中半径に沿って配置されたナッツコークスの充填は、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。ナッツコークスの充填はまた、腹の温度を下げます。ナッツコークスも壁にチャージされ、2つの鉱石チャージの間に挟まれて、壁に細かい鉱石がチャージされているときに壁の領域が非アクティブになるのを防ぎます。

負担の分散

負荷分散は、運転の安定性に影響を与えるだけでなく、炉内の半径方向のガス流量を決定することにより、炉壁の摩耗率を制御する主要な要因の1つです。高炉スタック内の負荷分散をより適切に制御し、それによって気固接触と燃料効率を改善する手段として、近年、いくつかの新しい開発が使用されています。高い生産性を実現するための十分な制御を可能にする2種類の分配システムは、傾斜可能な回転シュートを使用するベルレストップと、可動スロートアーマーを備えたベルチャージングシステムです。

コークスは一般にサイズがはるかに大きいため、主に、ラジアルガスフローはコークスに対する鉄負荷の比率によって制御されます。これは、材料を個別の層に充填し、炉の半径全体で層の厚さを変えることによって最も簡単に達成されます。したがって、炉壁の保護は、壁の鉱石層の割合を増やすことによって達成され、その結果、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、炉壁に近い鉄系材料の割合には制限があります。そうしないと、不活性な層が形成され、壁の付着物の形成が促進され、炉の下部領域への準備されていない負担が発生し、羽口の故障が増加する可能性があります。炉の中心にあるコークスの割合は、所望の生産レベルで安定した炉の運転を可能にするのに十分でなければならない。コークスの大部分は、下降する液体が少ない比較的透過性の高い領域を作成し、爆風圧力の大きな変動や不規則な負荷降下なしに最大の爆風量を使用できるようにします。

炉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。ただし、中央のコークス煙突の幅を不必要に広くしないでください。そうしないと、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て損傷する可能性があります。

材料の分割サイズ充電

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、主要な鉄の負担のスクリーニングからの微細な鉄材料の充填です。微粉は炉壁の近くで少量ずつ別々に充填され、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、炉の充電能力が低下します。ベルと可動式スロートアーマーシステムを使用して少量のバッチを充電すると、排出時間が短縮されるため、ベルのないトップを使用する場合よりも遅延が少なくなります。最初にトップホッパーまたは大型ベルホッパーに投入し、対応する初期シュート角度または可動スロートアーマー設定を使用することにより、少量の微細な材料を炉壁に投入できる場合があります。ただし、その量は、ホッパーの放電特性によって、残りのチャージと混合せずにホッパーを通過する量に制限されます。再焼結のために返還するのではなく、そのような鉄の罰金を直接使用することには経済的な利点もあります。同様の方法で、鉄の負担を大小のサイズに分割し、それらを炉の半径のさまざまな部分に充填して、半径方向の透磁率を制御することができます。

高圧操作

高炉での爆風体積率を増加させようとする際の制限要因の1つは、大量のガスが負荷を上向きに吹き上げることによって引き起こされる揚力効果です。この揚力効果（質量流量）は、負担が正常に下降するのを防ぎ、生産量の増加ではなく損失を引き起こします。生産速度を通常よりも高くするために、高炉には、出口ガス圧力を上げるために上部ガスシステムにセプタムバルブが装備されています。この圧力の上昇により、システム全体でガスが圧縮され、大量のエアブラストが吹き付けられます。このように毎分吹き込まれる空気の量が増えると、それに応じて生産率も上がります。さらに、これはまた、SiOの形成を抑制し、溶銑シリコン含有量の低下をもたらします。

トップガスの圧力が上昇すると、それに比例して入口エアブラストの圧力も上昇します。さらに、最高圧力が増加する場合、より高い圧力で増加した爆風量を供給することができる、より大きなブロワーを使用する必要がある。炉のシェル、ストーブのシェル、集塵機、一次洗浄機、およびガス本管も、圧力の上昇に耐えるために構造的な完全性を備えている必要があります。上部圧力を上げるために使用されるスロットルバルブは、一次ガス洗浄機の向こう側に配置されており、ガスによって運ばれるダストの大部分を炉から除去することにより、ガスのサンドブラスト効果が低減されています。一次洗浄機からの出口水ラインには、洗浄機内のガス圧がウォーターシールを破壊しないようにレギュレーターを装備する必要があります。炉内充填装置の圧力を均等にするために、クリーンガスまたは窒素が使用されます。最高圧力が2〜2.5 kg /sqcmの炉は正常に動作しています。これらの炉のいくつかでは、圧縮エネルギーの一部を回収し、電力を生成するために、最高圧力回収タービンが使用されています。

熱風温度

熱風温度は高炉の燃料効率を改善し、より高い炉温度を可能にし、それにより炉の容量が増加します。高炉コークスの必要量を大幅に削減し、高炉コークスの代わりに微粉炭などの補助燃料の注入を容易にするため、高炉の効率的な運転には高い熱風温度が不可欠です。技術の組み合わせによって可能な総エネルギー節約は、溶銑1トンあたり12万kcalのオーダーです。コークス比が1000℃から1200℃に維持されると、ブラスト温度が100℃上昇するごとに2.8％減少するため、運転コストが低くなります。最近の多くの炉は、1300℃を超える熱風温度で運転されます。 。

熱風の酸素富化

爆風への酸素富化の目的は、レースウェイの断熱火炎温度（RAFT）、炉床ガスの生成、および溶融の強度を制御することです。爆風空気が酸素で強化されると、RAFTが増加します。高い火炎温度は通常、比較的低品質の負担材料と互換性がなく、適切な品質の負担材料が必要です。酸素富化によるさらに高い火炎温度は、爆風水分と燃料噴射で制御する必要があります。 12％を超える酸素富化を使用する炉操作があります。通常のエアブラスト（酸素の約21％）を超える酸素のパーセントごとに、生成率は約2％から4％増加します。装入物の還元性が良好な場合、すなわち、急激に減少し、火炎温度を大幅に上昇させ、燃料効率を向上させることができる場合。酸素の賢明な使用は、溶銑の品質を制御しながら炉のスループットを最大化できるように、ボッシュガスの質量流量を制御する手段を提供します。

補助燃料噴射

高炉温度を1000℃から1300℃の範囲に上げる技術の開発と、使用する負担物質の種類のために高炉を制御する必要性により、炭化水素燃料を高炉に注入することが可能になりました。火炎温度を制御し、ボッシュガスの還元力を高め、同時に高炉コークスの一部を交換するために、羽口を通して炉を通過させます。大量のコークスが存在する場合、炭化水素燃料は一酸化炭素と水素にしか燃焼できません。その結果、それらはそれらが交換するコークスよりも少ない熱を生成し、火炎温度を制御しますが、それらが生成する還元ガスは、コークスの燃焼によって生成されるものよりも効果的です。

天然ガス、コークス炉ガス、石油、タール、微粉炭、さらには石油中の石炭のスラリーなど、さまざまな燃料が試されてきました。微粉炭は、比較的豊富で低コストであるため、現在、高炉で最も使用されている注入剤です。石炭が使用される場合、それはまた、ブローパイプの側面を通って気流に入るランスによってエアブラストに導入されます。注入された石炭は、炉のすぐ内側のレースウェイを出る前に、完全にガス化して燃焼させることが最も望ましい。燃料を噴射するときは、バッスルパイプまたはブローパイプに燃料が蓄積してその後燃焼するのを防ぐために、特別な予防措置が必要です。微粉炭の注入プロセスを以下に説明します。

石炭原料は選炭工場に運ばれ、そこでスクリーニングとオーバーヘッドマグネットによってトランプ材料が除去されます。次に、石炭は粉砕され、同時に高温ガスの流れまたは粉砕ユニット/乾燥機の組み合わせで乾燥され、続いて誘導ドラフトファンによってシステムを通して抽出されます。正しい製品サイズ分布の石炭は、速度分離器を介して引き上げられ、バッグフィルターユニットに取り込まれます。最終製品は、保管サイロに移す前に選別されます。排気ガスの一部は、粉砕ユニット/乾燥機の高温ガス発生器に再循環されます。この制御機能により、石炭と接触している高温ガスの総酸素含有量が12％未満に保たれ、微粉炭が発火する可能性がなくなります。石炭噴射システムは、ロックホッパーとインジェクターユニットで構成されています。各羽口への石炭流量は、機械式フィーダーによって個別に制御できます。あるいは、スプリッターベースのシステムを使用して、各羽口へのフロー制御の精度が低い、より単純なシステムを提供することもできます。 PCIの機器は最近非常に頑丈で、可用性は98％を超え、正確な石炭圧入率は2％以内です。

自動化と制御

最近の自動化および制御システムは、炉の操作のすべての側面に理想的なソリューションを提供します。これらには、すなわち、（i）複雑な装入パターンと負荷分散を備えたスキップまたはベルト装入トップの炉トップ制御、（ii）装入可能な微粉の部分を増やすためのベルレストップ用の独自のスパイラルチャージシステム、（iii）ストックハウスが含まれます「飛行中」の計量および材料の層化による連続的にバッチ処理された材料の制御、（iv）ガス洗浄制御、（v）循環、並列、重ね並列および千鳥並列4ストーブ操作のストーブ制御、（vi）石炭注入システム制御、 （vii）キャストハウスの操作と管理、および（viii）スラグ造粒プラントの管理。自動化と制御に加えて、プラントの安全性とシャットダウンシーケンスの機能もあります。

低コストで高性能の高炉運転を保証するために、最近の高炉には閉ループ最適化システムが備わっています。このシステムは、高度なプロセスモデル、人工知能、強化されたソフトウェアアプリケーション、グラフィカルユーザーインターフェイス、および運用ノウハウに基づいて機能します。閉ループ最適化システムを備えた炉では、優れたプロセス性能と大幅に低い製造コストが達成されています。閉ループエキスパートシステムでは、制御される高炉の主なパラメータは、オペレーターの介入を必要とせずに実行されます。たとえば、コークス率、塩基度、蒸気噴射率、さらには負荷分散の制御を閉ループモードで同時に自動的に実行して、低生産コストで安定した一貫したプロセス操作を保証できます。高度なプロセスモデルに基づいて、高炉の正確な制御が実現されます。

現在の高炉で提供されているプロセス情報管理システムは、関連するすべてのデータを収集、準備、保存して、後で使用できるようにします。