Практика эксплуатации и срок службы доменной печи

Качество рудной нагрузки

Для стабильной работы необходима проницаемая БН. Важно, чтобы рудная шихта была прочной, крупной и эффективно просеивалась для удаления мелких частиц. Она не должна чрезмерно распадаться в штабеле и образовывать дополнительные мелкие частицы. , Он должен быть достаточно пористым, восстанавливаемым и иметь такой размер, чтобы его можно было эффективно уменьшить к тому времени, когда он достигнет зоны размягчения. Таким образом, когезионная зона является менее ограничивающей, с меньшим содержанием шлака, богатого FeO, а тепловая нагрузка в нижней части области BF ниже, что способствует бесперебойной работе.

Свойства размягчения и плавления компонентов руды имеют важное влияние на работу доменной печи. Ограничения в когезионной зоне и плохие характеристики плавления могут привести к неравномерному опусканию шихты, нестабильной работе и термическим колебания. Эти условия могут сократить срок службы стенки ДП.

Не существует стандартизированных испытаний на размягчение и плавление, и существует множество показателей, отражающих температуры размягчения и плавления, такие как начало прямого восстановления, падение давления во время плавления, количество стекающего материала и т. д.

Распределение нагрузки

Распределение нагрузки является одним из основных факторов, влияющих на срок службы доменной печи. Он не только может влиять на стабильность работы, но и, определяя радиальный расход газа в доменной печи, один из основных факторов, контролирующих скорость изнашивания стен доменной печи.

Обычно радиальный поток газа регулируется соотношением руды и кокса в шихте, поскольку крупность кокса обычно больше. Обычно это достигается загрузкой материала дискретными слоями и изменением толщины слоя по всей шихте. радиус доменной печи. Таким образом, защита стенок доменной печи достигается за счет увеличения доли рудного слоя у стенки, что приводит к уменьшению количества тепла, удаляемого стеновой системой охлаждения. рудного материала вблизи стенки доменной печи во избежание образования неактивного слоя, который может способствовать образованию пристенных наростов и попаданию неподготовленной шихты в нижние области доменной печи и увеличению фурменных потерь. доменная печь должна быть достаточной для обеспечения стабильной работы доменной печи при желаемом уровне производительности Большая доля кокса создает относительно проницаемую область с меньшим количеством нисходящих жидкостей, что позволяет использовать максимальный объем дутья с без больших колебаний давления струи и неравномерного опускания шихты.

Кокс в центре доменной печи заменяет кокс в поде, а проницаемый центр с высоким содержанием кокса способствует проницаемому поду, что связывает поток жидкости через под очаг. Центральный коксовый дымоход не быть излишне широким.  В таком случае эффективность снижается, и некоторые части колошника могут быть повреждены из-за чрезмерно высокой теплоемкости восходящего газа.

Раздельное взимание платы

Более сложные системы распределения позволяют дополнительно контролировать распределение нагрузки за счет использования более чем одного диапазона размеров данного материала. Одним из наиболее часто используемых методов является загрузка тонкодисперсных рудных материалов, часто из отсевов основной рудной массы. Мелкие частицы загружаются отдельно в небольших количествах рядом со стенкой доменной печи, чтобы дать локальное снижение проницаемости и, таким образом, защитить стенки. Загрузка отдельной небольшой партии более тонкого материала обычно снижает загрузочную способность ДП.

Кока-кола с орехами

Гибкая система загрузки позволяет использовать орешек коксового ореха (типовой размер находится в диапазоне от 10 мм до 30 мм). Загрузка орехового кокса, подмешанного к рудной шихте и расположенного посередине радиуса, улучшает работу за счет повышения эффективности восстановления и проницаемости рудного слоя в когезионной зоне. При загрузке орехового кокса улучшается проницаемость и снижается внутренняя температура. Ореховый кокс, загруженный на стенку, зажатый между двумя загрузками руды, предотвращает неактивную область стенки, когда мелкая руда загружается на стенку. Ореховый кокс добавляется в окатыши для увеличения их угла естественного откоса, что снижает долю рудной нагрузки в центре доменной печи.

Разделение по размеру

Многие системы зарядки создают некоторую степень разделения исходных материалов по размерам. Если исходный материал для выпуска более мелкий, а конечный материал более крупный, эту характеристику можно использовать для улучшения радиального распределения размеров и, следовательно, радиального распределения газового потока. Этот тип сегрегации обычно происходит в печах с ленточной загрузкой, а не в печах со скиповой загрузкой, и его легче контролировать при использовании колпака без колпака. Подходящие модификации также могут быть добавлены в систему загрузки для улучшения желаемых характеристик сегрегации.

Дополнительная радиальная сегрегация по размеру также может происходить при прокатке по наклонной линии заготовки. Разделение по размерам также может изменить характеристики плавления и размягчения шихты вдоль радиуса доменной печи, когда один компонент имеет другой диапазон размеров и химический состав.

Некоторые системы зарядки приводят к изменению распределения нагрузки по окружности. Эти различия должны быть сведены к минимуму за счет конструкции или эксплуатации.

Центральная загрузка кокса

В центре доменной печи обычно требуется большое количество кокса, чтобы поддерживать достаточную работу центра для стабильной работы. Это особенно важно при более высокой производительности и при работе с высокими уровнями фурменного нагнетания углеводородов. Однако работа с коксом, полностью расположенным в центре печи, менее эффективна с точки зрения расхода топлива, и были разработаны методы минимизации ширины этой области центральной загрузки кокса. В бесколпаке это достигается загрузкой небольшой порции кокса при полностью опущенном вращающемся желобе.

В горне необходим проницаемый коксовый слой, чтобы стимулировать поток жидкости через центр горна и уменьшить периферийный поток, который может вызвать чрезмерный износ боковых стенок. Кокс в глушителе и горне постепенно заменяется коксом из очага топки. Центральная загрузка кокса снижает процентное содержание рудного материала в центре доменной печи и улучшает проницаемость горна. Проницаемость горна может быть дополнительно улучшена за счет более крупной загрузки стабилизированного кокса в центре.

Срок службы горла

Для длительного срока службы важно свести к минимуму износ фиксированной брони горла, вызванный прямым воздействием шихтовых материалов. Хотя можно отремонтировать броню горловины или установить защитные пластины, это может потребовать длительных остановок на техническое обслуживание, что само по себе может отрицательно сказаться на сроке службы печи. Следовательно, распределение нагрузки и используемая высота линии запаса должны быть выбраны таким образом, чтобы избежать такого воздействия нагрузки.

Качество горячего металла

При работе без защитного гарнисажа в горне нагар горна обычно удаляют раствором железа и шлака. Раннее науглероживание чугуна до того, как оно соприкоснется с огнеупором пода, сводит к минимуму такой износ пода.

Для раннего науглероживания необходим длительный период контакта между жидкостями и коксом. При заданной производительности этому может способствовать более высокая зона стекания и мертвый человек с более высокой зоной сцепления. Обычно это приводит к увеличению содержания твердого кремния (Si). Обычно уровень насыщения углеродом снижается с увеличением содержания Si. В результате ТМ ближе к насыщению при более высоких уровнях Si для заданного размера БВ и температуры ТМ.

Кроме того, увеличение содержания ТМ Si повышает температуру ликвидуса ТМ и тем самым снижает их текучесть. Это приводит к снижению скорости потока в поде и способствует образованию затвердевшего слоя на огнеупоре пода.

При более низких температурах ТМ степень насыщения железа углеродом ниже и достигается раньше. Дополнительным преимуществом низкой температуры ТМ является повышенная вязкость железа, что снижает периферийный поток, уменьшая склонность к растворению защитного гарнисажа и проникновению в мелкие трещины и поры.

Трудно достичь одновременно более высокого уровня Si HM и более низкой температуры HM, поскольку более высокая зона когезии обычно приводит к более высокой температуре печи, но общий эффект заключается в том, что HM, поступающие в горн, становятся ближе к насыщению углеродом. Уменьшение высокого верхнего давления, вероятно, приведет к небольшому увеличению содержания кремния, не влияя на тепловое состояние доменной печи. Вероятность растворения углерода очага ниже при более высоких уровнях кремния.

Диаметр фурмы

Диаметр фурмы выбирается таким образом, чтобы обеспечить адекватное проникновение струи для данных условий эксплуатации и предотвратить подъем избыточного газа на стенки доменной печи. Выбор размера фурмы влияет на степень работы центра доменной печи и степень защиты затвора и нижних стенок шахты. Обычно необходимо варьировать диаметр фурмы вокруг доменной печи, чтобы обеспечить окружной баланс газового потока.

Хотя размеры фурм выбираются тщательно, при замене фурмы часто наблюдается значительное увеличение диаметра, особенно при достижении длительного срока службы. Это влияет на оба вышеперечисленных фактора и выгодно с точки зрения ресурсной кампании менять фурмы через заданный период не только для минимизации влияния износа фурм, но и для снижения вероятности просачивания воды в доменную печь и количества внеплановых отключений. периоды взрывных работ для замены вышедших из строя фурм.

Диаметр фурм непосредственно над леткой часто уменьшают или фурмы даже закрывают, чтобы обеспечить плавность литья и уменьшить количество железа над леткой.

Диаметр фурмы часто локально уменьшают в ответ на высокие температуры боковых стенок очага, чтобы уменьшить капание жидкости и активность очага в проблемной зоне. Это достигается добавлением фурменных вставок или заменой фурм. В тяжелых случаях или в качестве краткосрочной экстренной меры соответствующие фурмы можно закрыть, забив их глиной. Это часто приводит к быстрому снижению соответствующей температуры боковых стенок пода.

Методы актерского мастерства

Практика литейного цеха играет важную роль в управлении потоком жидкости в поде и во избежание высокого уровня жидкости, который может попасть на дорожку качения, повлиять на распределение струи или даже вызвать повреждение фурмы или паяльной трубы. Эти факторы могут повлиять на стабильность работы, привести к периодам отключения и потенциально повлиять на срок службы кампании.

Длина резьбового отверстия

При более длинном летке расплавленные продукты вытягиваются не только из нижней части пода, но и из точки, расположенной ближе к центру пода. Это уменьшает периферийный поток вблизи летки и, следовательно, износ боковой стенки пода. Для увеличения длины летки необходимо увеличивать количество впрыскиваемой летки в течение определенного периода времени, чтобы постепенно увеличивать размер гриба внутри доменной печи, который также защищает огнеупор под леткой. При малой длине летки и попеременном литье из широко расставленных леток колебания температуры боковой стенки увеличиваются, что потенциально увеличивает эрозию огнеупора.

Могут наблюдаться высокие температуры подушки пода из-за потери замороженного слоя и/или растворения углерода пода, в то время как температура боковых стенок пода является удовлетворительной. В таких случаях может оказаться необходимым укоротить летку, уменьшив количество впрыскиваемой летки и, возможно, уменьшив угол наклона летки. Это помогает уменьшить поток ТМ вблизи центра доменной печи и увеличить количество жидкости, удерживаемой на подушке печи. 

Диаметр резьбового отверстия

Диаметр летки, необходимый для поддержания заданной производительности, зависит от параметров доменной печи, таких как доля времени разливки, верхнее давление, объем шлака, крупность горнового кокса, вязкость жидкости и свойства массы летки. Если летка слишком мала для данной производительности, то отлить печь всухую не получится. Если летка слишком велика, меньшее количество расплавленных продуктов может быть удалено из печи во время разливки, так как летка выйдет из строя раньше времени, поскольку жидкости над леткой удаляются до того, как жидкости на противоположной стороне пода смогут пройти через нее. коксовая постель. В обоих этих случаях уровень жидкости в топке остается высоким и в конечном итоге влияет на стабильную работу. Следовательно, необходим оптимальный размер летки, который определяется опытным путем.

При использовании одной летки размер должен выбираться таким образом, чтобы обеспечить отливку BF всухую и обеспечить достаточное время для отверждения массы летки между заливками. На доменной печи, где используются чередующиеся летки, при определенных условиях эксплуатации могут потребоваться летки разного размера, чтобы обеспечить дренаж через печь.

В ДП с несколькими летками, в котором наблюдается износ подовой подушки, может потребоваться увеличить диаметр летки. Это, вместе с уменьшением длины летки, уменьшает поток чугуна через подушку и увеличивает остаточное количество железа в поду в конце разливки, тем самым способствуя образованию мерзлого слоя на подушке.

Масса летки

Массовые характеристики летки важны для работы доменной печи. Масса должна быстро схватываться и полностью отверждаться между литьями, чтобы образовалась прочная и долговечная летка. Масса летки должна иметь хорошие адгезионные свойства, чтобы создать прочную, постоянную структуру, которая противостоит потоку жидкости, а также защищает огнеупоры пода ниже летки.

Количество, позиция и эффективность

Высокая производительность может быть достигнута в доменной печи среднего размера с одной леткой. Однако есть преимущества, когда имеется более одной летки, что является необходимостью на более высоких уровнях производства. Попеременное литье из летки на противоположных сторонах печи приводит к более эффективному дренажу пода, а также дает более длительный период для полного отверждения массы летки, в результате чего летка становится более прочной. Наличие двух выпускных отверстий позволяет проводить капитальный ремонт главного чугунного желоба, не требуя перерыва в проведении взрывных работ. Если на стенке топки многостворчатой ​​летки BF возникают горячие точки, можно использовать альтернативную летку, которая не способствует периферийному потоку в зоне эрозии. Износ боковой стенки в результате периферийного потока будет более равномерно распределяться по окружности печи с несколькими летками.

Для крупной высокопроизводительной доменной печи предпочтительно иметь четыре летки, что позволяет работать противоположной паре, пока один желоб ремонтируется, а другой находится в резерве. Чтобы выровнять износ боковых стенок и способствовать полному дренажу очага, в идеале их следует располагать с интервалом в 90 градусов.

Частота и коэффициент трансляции

Скорость литья определяется размером используемого сверла для летки, характеристиками износа массы летки, верхним давлением, вязкостью жидкостей и количеством используемых леток. При современной массе летки с высокими эксплуатационными характеристиками наблюдается тенденция к уменьшению количества отливок, что снижает эксплуатационные расходы на летку. При снижении скорости разливки скорость жидкости в горне уменьшается, но сохраняется в течение более длительного периода времени. В многолитейном цехе ДП существует возможность литья из противоположных леток одновременно (литье внахлестку), при условии, что масса летки полностью затвердевает за более короткое время, чем продолжительность литья, а также людские ресурсы и материально-техническое обеспечение. Этот метод снижает скорость потока в горне, хотя часто используется только в периоды высокого уровня жидкости или перед отключением доменной печи от дутья.

Необходимо любой ценой избегать длительных задержек литья, чтобы свести к минимуму сбои в работе доменной печи. Это требует хорошей конструкции и надежной работы оборудования литейного цеха, хорошей практики литейного цеха и хорошо скоординированной транспортировки ковшей для тяжелых металлов.

Щелочи и цинк

Щелочные металлы и цинк оказывают вредное воздействие на доменный процесс и огнеупоры. Бремя состоит в том, чтобы иметь содержание щелочей и цинка на минимальном экономическом уровне. Обычно уровни содержания щелочи и цинка контролируются на уровне менее 5 кг/т ТМ (наилучшая практика – 2 кг/т ТМ), но из-за конденсации паров щелочи на опускающейся шихте в доменной печи может образоваться большая рециркуляционная нагрузка. Это приводит к повышенному разложению агломерата и разрушению кокса, а также способствует образованию наростов на стенках, что может привести к неравномерному опусканию шихты и нестабильной работе доменной печи.

Щелочи и цинк в газообразном виде проникают в трещины и поры стеновых огнеупоров ДП. Результирующая химическая атака и термоциклирование ослабляют поверхностный слой огнеупора, который в конечном итоге удаляется опускающейся шихтой, что позволяет повторить процесс.

Вскрытие очага после окончания кампании показало, что в основании боковой стенки происходит чрезмерный износ и что между оболочкой и горячей поверхностью угля обычно образуется зона хрупкости. Щелочи и цинк часто обнаруживаются в высоких концентрациях в этой хрупкой зоне. Были предложены различные механизмы распада этих соединений. Стресс и термическое растрескивание в боковой стенке позволяют газообразным щелочам и цинку проникать и осаждаться в порах. Это приводит к расширению кирпича, охрупчиванию, дальнейшему вздутию и, в конечном счете, к разрушению огнеупорной массы. Значительная степень защиты огнеупора от щелочей и цинка достигается, если на горячую поверхность огнеупора намерзает нарост или корка, тем самым защищая огнеупор от химического воздействия.

Большая часть щелочей удаляется со шлаком, а оставшаяся часть — с колошниковым газом. Однако основную роль в удалении щелочи играют характер шлака, тепловое состояние и распределение шихты. Снижение основности шлака увеличивает количество удаляемой в шлак щелочи по мере увеличения термического уровня доменной печи или температуры колошника за счет расширения или интенсификации степени центральной обработки. Кроме того, для данной загрузки щелочи разложение кокса, вероятно, будет больше для операций с высокой скоростью подачи углеводородов в фурму из-за увеличенного времени пребывания шихты. Важно, чтобы контролировался баланс входа и выхода щелочи и цинка и чтобы доменная печь работала с термическим и химическим режимом, совместимым с уровнем ввода этих элементов, чтобы стимулировать их удаление в шлаке и колошниковом газе

добавление TiO2

Образцы футеровки горна в конце кампании доменных печей обычно содержат титансодержащие отложения. Они образуют защитный слой в эродированных участках боковой стенки горна, в саламандрах, а также в порах и швах кирпича. Титан обычно находится в форме карбонитридов Ti(C,N), твердого раствора карбида титана (TiC) и нитрида титана (TiN). Поэтому в настоящее время практикуется введение диоксида титана (TiO2) в BF для укрепления этих защитных слоев. Для введения TiO2 обычно используются три метода. 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.