• Nie Znaleziono Wyników

DEM-CFD Modelling of the ironmaking blast furnace

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "DEM-CFD Modelling of the ironmaking blast furnace"

Copied!
148
0
0

Pełen tekst

(1)

Al

l

er

t

Adema

DEM-

CFD

MODELLI

NG

OF

THE

(2)
(3)

 

DEM‐CFD Modelling of the 

ironmaking blast furnace 

 

 

PhD Thesis 

March 2014 

 

 

Allert Adema 

(4)

This  research  described  in  this  thesis  was  performed  in  the  Department  of 

Materials Science and Engineering of Delft University of Technology. 

 

 

This research was performed under project number MC5.06255 in the frame of the 

Research  Program  of  the  Materials  innovation  institute  M2i  in  the  Netherlands 

(www.m2i.nl) 

 

(5)

DEM‐CFD Modelling of the  

ironmaking blast furnace 

 

Proefschrift 

 

Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor  

aan de Technische Universiteit van Delft; 

op gezag van de Rector Magnificus prof. ir. K.Ch.A.M. Luyben; 

voorzitter van het College van Promoties 

in het openbaar te verdedigen op dinsdag 4 maart 2014 om 12:30 uur 

 

door  

Allert Tjipke ADEMA 

 

ingenieur in de Technische Aardwetenschappen  

geboren te Surhuizum 

 

 

 

(6)

Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor: 

Prof.dr. R. Boom 

 

Co‐promotor: 

Dr. Y. Yang 

 

Samenstelling promotiecomissie: 

Rector Magnificus 

 

voorzitter 

Prof.dr. R. Boom  

 

Technische Universiteit Delft, promotor 

Dr. Y. Yang 

 

 

Technische Universiteit Delft, co‐promotor 

Prof.dr. H. Saxen  

 

Åbo Akademi University, Finland 

Prof.dr. ir. J.A.M. Kuipers  

Technische Universiteit Eindhoven 

Dr.ir. T. Peeters   

 

Tata Steel R&D, IJmuiden 

Prof.dr. J.H.W. de Wit 

 

Technische Universiteit Delft 

Prof.dr. ir. J. Sietsma 

 

Technische Universiteit Delft 

Prof.dr. I.M. Richardson    

Technische Universiteit Delft, reservelid 

 

 

 

 

Keywords: blast furnace, solid flow, gas flow, modelling, coupled DEM‐CFD, 

cohesive zone 

 

 

 

 

 

 

ISBN: 978‐94‐91909‐06‐1 

 

Copyright ©2014, by A.T. Adema 

 

All rights reserved. No part of the material protected by this copyright notice may 

be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, 

including  photocopying,  recording  or  by  any  information  storage  and  retrieval 

system, without written permission from the author. 

 

(7)
(8)
(9)

Table of contents

 

Chapter 1 Introduction 

 

1.1.    

Blast furnace ironmaking 

1.2.    

Research question of this thesis 

1.3.    

Structure of this thesis 

13 

References 

14 

 

 

 

Chapter 2 Blast furnace ironmaking 

 

2.1.    

Introduction 

15 

2.2.    

Overview of integrated steelmaking process 

15 

2.3.    

Blast furnace process and equipment  

18 

2.4.    

Chemical reactions 

19 

2.5.    

Burden materials 

21 

2.6.    

Gas and solid flow 

24 

2.7.    

Cohesive zone 

25 

2.8.    

Process disruptions 

26 

References 

27 

 

 

 

Chapter 3 Review of blast furnace modelling 

 

3.1.   

Introduction 

29 

3.2.   

Continuum modelling 

30 

3.3.    

DEM Modelling 

34 

   

3.3.1.   Burden flow 

34 

 

3.3.2.   Raceway modelling 

53 

   

3.3.3.   Burden charging modelling 

56 

3.4.    

Conclusion 

59 

References 

61 

 

 

 

Chapter 4 Development of a DEM‐CFD blast furnace model 

 

4.1. 

Introduction  

65 

4.2. 

Modelling methods 

66 

 

4.2.1.   CFD Modelling 

66 

   

4.2.2.   DEM Modelling 

71 

   

4.2.3.   DEM‐CFD Coupling  

73 

4.3. 

Modelling approach 

75 

   

4.3.1.   Lab scale slot model 

75 

   

4.3.2.   Pie‐slice model of scaled‐down blast furnace 

83 

   

4.3.3.   Blast furnace model with different geometries 

87 

   

4.3.4.   Experimental blast furnace model 

91 

(10)

 

4.3.5.   Charging and burden descent models 

104 

4.4. 

Concluding remarks 

112 

References 

113 

 

 

 

Chapter 5 Conclusions and recommendations 

 

5.1. 

Conclusions 

115 

5.2. 

Recommendations 

118 

 

 

 

Appendix A Parallel development of sub‐models 

121 

References 

128 

 

 

 

Summary 

129 

Samenvatting  

131 

List of publications 

133 

Acknowledgements 

135 

Curriculum Vitae 

136 

 

(11)

Chapter 1

Introduction

 

1.1. Blast furnace ironmaking

In  2012  the  world  production  of  iron  was  1100  million  tonnes  [1]  equivalent  to  approximately  90  million  tons  per  month;  about  75  %  of  this  was  created  from  pig  iron  produced  by  blast  furnace  ironmaking.  Every  second  there  is  a  staggering  26  000  kg  of  liquid iron (called pig or iron hot metal) produced by this process worldwide. The pig iron is  further  processed  into  steel  for  use  in  e.g.  the  construction,  packaging  or  automotive  industry.  

The blast furnace itself is a very large reactor of approximately 40 m high and  15  m  wide,  producing  over  10  000  t/d  of  pig  iron.  The  process  is  counter‐current  and  takes  place at high temperatures. The solids, iron oxides (in the form of pellets, pellets or lump  ore) and coke, are charged in layers at the top of the furnace as shown in Figure 1.1. Oxygen  enriched  hot  air  is  blown  into  the  furnace  through  so  called  tuyeres  at  the  bottom.  Coke  reacts  with  oxygen  to  form  the  reduction  gas,  carbon  monoxide,  and  part  of  the  heat  required in the process. As the reduction gas rises through the furnace it reacts to reduce  the oxides creating liquid iron and carbon dioxide. Molten iron is tapped from the bottom  of the furnace as well as molten slag which contains the remaining nonferrous materials.  

 

 

Figure 1.1. Zones in the blast furnace [2] 

 

During the descent through the furnace the solid material charged at the top slowly heats  up and at a temperature of 1100 °C the ore starts softening and melting. The zone in the  furnace where the softening and melting takes place is called the cohesive zone. Below the  cohesive  zone  only  coke  is  present  in  solid  form  with  liquid  iron  and  slag  trickling  down.  Where  the  blast  enters  the  furnace  the  Raceway  is  created;  a  large  cavity  created  by  the  high gas velocity and consumption of coke, with temperatures of approximately 2250 °C. In  the centre of the furnace hearth is the so‐called ”deadman”, a slowly moving pile of coke.  

(12)

Blast  furnace  ironmaking  has  been  used  for  centuries  and  has  evolved  into  an  extremely  efficient process. Revolutionary improvements such as the use of coke instead of charcoal  in the 18th century are combined with a continuous fine‐tuning of the process.  The use of  coke per tonne of hot metal, the amount of reductant required, has nearly halved in the last  50 years as can be seen in Figure 1.2.  

 

 

Figure 1.2. Decrease in reductant rate  due to technological improvement [3]

 

 

A  blast  furnace  today  can  operate  continuously  for  more  than  15  years  before  it  requires  the  inner  lining  to  be  replaced.  In  Table  1.1  the  evolution  in  blast  furnace  size  and  production at Tata Steel, IJmuiden (former Hoogovens and Corus) is shown. From the small  Blast  Furnace  No.  1  to  the  much  larger  No.  6  and  7  currently  in  use,  the  production  has  vastly  increased.  The  final  or  current  productivity  of  each  furnace  is  more  than  double  of  what is was initially.    

 

The rapid development of China in recent years has greatly increased the global iron and  steel  production.  Figure  1.3  shows  that  blast  furnace  production  in  China  has  more  than  tripled between 1980 and 2000. Growth then really took off and production grew another 5  times from 2000 to 2012 level, a total of 17 times the 1980 level. During the same period  iron production in the rest of the world grew to a maximum in 2007 with 23%, after which  the  global  financial  crisis  caused  a  severe  drop  in  production.  This  increase  in  production  went together with a shift to larger volume blast furnaces. Tables 1.2 and 1.3 show that for  the  initial  growth  years  between  2001  and  2006  the  distribution  of  furnace  capacity  over  the  volume  ranges  still  remained  the  same,  but  the  total  number  of  blast  furnaces  increased  from  196  to  475.  After  2006  the  Chinese  iron  production  capacity  in  blast  furnaces with an inner volume of less than 1000 m3 went from 41% to the current level of  19%.  This  decrease  of  share  in  capacity  shifted  entirely  to  furnaces  with  an  inner  volume 

(13)

>2000 m3. The number of <1000 m3 furnaces has also significantly decreased from 364 to  206. Compared to the rest of the world China still has a relatively large percentage of the  total production capacity in small furnaces, but is actively restructuring production to larger  and more efficient furnaces [4]. 

 

Table 1.1. Development of the blast furnaces at Tata IJmuiden,   The Netherlands [2]    Hearth diameter (m)  4.8/5.6  4.8/5.6  5.2/5.9  8.5  8/9  10/11  13/13.8  Working volume (m3)  519  519  598  1413  1492  2328  3790  Built  1924  1926  1930  1958  1961  1967  1972  Initial production (t/d)  280  280  360  1380  1700  3000  5000  Most recent production  (t/d)  1000  1000  1100  3500  3700  8000  11000  Most recent production  (t/d∙m3)  1.9  1.9  1.8  2.5  2.5  3.4  2.9  Last renovation        2002  2006  Demolished  1974  1974  1991  1997  1997       

 

 

 

 

 

Table 1.3.  Total number and percentages  of blast furnaces  per inner volume range in China [4, 5]

 

Inner volume (m3)  >2000  1000‐2000  <1000    #  %  #  %  #  %  2001  21  11  29  15  146  75  2006  51  11  60  13  364  77  2013  109  27  90  22  206  51  Rest of world 2013  178  43  144  35  89  22   

 

Table 1.2. Percentage of total production capacity  per inner volume range in China [4, 5]  Inner volume (m3)  >2000  1000‐2000  <1000  2001  38%  21%  40%  2006  38%  21%  41%  2013  59%  21%  19%  Rest of world 2013  72%  23%  4%   

(14)

 

The  world’s  largest  blast  furnace  is  currently  POSCO’s  Gwangyang  No.  1  with  an  inner  volume of 6000 m3 after finishing relining in June 2013. By using a thinner lining in the blast  furnace the volume of an older furnace can be increased, and in this case the inner volume  in  1987  was  only  3800  m3.  Table  1.4  lists  the  top  15  largest  furnaces  in  the  world,  and  noticeable is that 13 of these are located in Asia. The shift to larger blast furnaces in China  can be seen from the fact that the three furnaces from China are all built after 2009. There  are  currently  27  blast  furnaces  under  construction  or  scheduled  for  blow‐in  in  2013,  25  of  which are in Asia, 10 in China, 7 in India. Of the 27 furnaces, 17 are big furnaces larger than  4000  m3.  These  include  what  will become  India’s  largest  blast  furnace: NMDC’s  Nagarnar  No.1  built  by  Danieli‐Corus  with  an  inner  volume  of  4506  m3.  Tata  Steel  is  building  a  greenfield steel plant in Odisha: the Kalinganagar No. 1 with an inner volume of 4300 m3.   

A bigger blast furnace has a larger production capacity for that single unit; it is however, a  trade‐off for productivity. Table 1.5 shows the top 5 highest productivity for blast furnaces  >2000 m3 and the productivity of the top 5 largest furnaces. For productivity the working  volume  of  a  blast  furnace  is  used;  this  is  the  volume  from  stock  level  to  the  raceway  and  does  not  include  the  hearth.  The  data  in  the  table  is  limited  to  furnaces  for  which  the  working volume was available.  

  The  highest  current  productivity  for  blast  furnaces  larger  than  2000  m3  is  achieved  by  Tata  Steel  Europe’s  Blast  Furnace  No.  6  in  IJmuiden  with  3.35  tonnes  per  day/m3.  All  top  5  furnaces  have  productivity  above  3  tonnes  per  day/m3,  and  this  is  considerably  more  than  the  5  large  furnaces  which  have  an  average  of  2.5  tonnes  per  day/m3.  

 

 

(15)

  Table 1.4. Top 15 largest blast furnaces [5]  Compa n y   Count ry   Plant   Inner  vo lu me   (m 3 Hearth  dia m e ter   (m)   Built   La st  re line   Nomina ca pa cit y   (M t/y e ar

POSCO  S. Korea  Gwangyang No. 1  6000  16.1  1987  2013  5.48  Shagang  China  Zhangjiagang II No. 4  5800  15.7  2009    5.00  NSSMC  Japan  Oita No. 1  5775  15.6  1972  2009  4.80  NSSMC  Japan  Oita No. 2  5775  15.6  1976  2004  4.80  POSCO  S. Korea  Pohang No. 4  5600  15.6  1981  2010  5.31  Severstal  Russia  Cherepovets No. 5  5580  15.1  1986  2006  3.90  Shougang  China  Caofeidian No.1  5576  15.5  2009    4.50  Shougang  China  Caofeidian No.2  5576  15.5  2010    4.50  NSSMC  Japan  Kimitsu No. 4  5555  15.2  1975  2003  4.53  ThyssenKrupp  Germany  Schwelgern No.2  5513  14.9  1993    4.30  POSCO  S. Korea  Gwangyang No. 4  5500  15.6  1992  2009  5.00  JFE Steel  Japan  Fukuyama No. 5  5500  15.6  1973  2005  4.18  NSSMC  Japan  Nagoya No.1  5443  15.2  1979  2007  4.25  Kobe Steel  Japan  Kakogawa No. 2  5400  15.3  1973  2007  3.89  NSSMC  Japan  Kashima No.1  5370  15.0  2004    4.00   

 

 

Table 1.5. Blast furnace productivity [5]  Compa n y   Count ry   Plant   Inner  vo lu me  (m 3 Working  vo lu me  (m)   Hearth  dia m e ter   (m)   Nomina l product ion   (t onnes/day)   Productivity    (t pd/m 3   Top 5 productivity for blast furnaces >2000 m3 inner volume  Tata Steel EU  NL  IJmuiden No.6  2678  2328  11  7800  3.35  Severstal  USA  Dearborn No.3  2130  1797  9.2  5890  3.28  Ternium Siderar  Argentina  Ramallo No. 2  2610  2340  10.4  7200  3.08  Wuhan I&S Co.  China  Hubei No.5,6,7   3200  2700  12.4  8300  3.07  Tata Steel EU  UK  Port Talbot No.5   2560  2134  10.8  6500  3.05 

 

Productivity of Top 5 inner volume blast furnaces    Severstal  Russia   Cherepovets 

No.5 

5580  5200  15.1  11000  2.12  Shougang  China  Caofeidian 

No.1,2 

5576  4670  15.5  12650  2.71  ThyssenKrupp  Germany  Schwelgern No.2  5513  4769  14.9  12000  2.52  Hyundai Steel  S. Korea  Dangjin No.1,2,3  5250  4425  14.8  11650  2.63  NSSMC  Japan  Kimitsu No. 3  4822  4043  14.5  10600  2.62 

(16)

A  recent  topic  which  has  a  large  influence  on  global  industry  is  the  reduction  of  CO2  emissions. This has a large impact on blast furnace ironmaking due to the high amount of  CO2  it  produces.  Therefore  several  large  projects  have  been  started  in  a  number  of  countries.  In  Japan  the  governments  Cool  Earth  2050  initiative  has  a  goal  of  a  50%  reduction  of  greenhouse  gas  emissions  by  2050.  Approximately  7%  of  CO2  emissions  in  Japan are from the iron making process, so it is an important sector to reduce greenhouse  gas emissions. Part of the response from the Japanese steel industry has been to set‐up the  COURSE  50,  standing  for:  CO2  Ultimate  Reduction  in  Steelmaking  process  by  innovative  technology for Cool Earth 50. The idea behind COURSE 50 is to reduce CO2 emissions by  utilising  hydrogen  from  the  coke  plant  for  iron  ore  reduction  in  the  blast  furnace  and  by  applying CO2 separation to the blast furnace top gas and reusing the CO. [6, 7] 

  In  Europe  the  ULCOS  programme,  Ultra  Low  CO2  Steelmaking,  has  been  initiated, aiming to reduce CO2 emissions with 50%. The programme is a consortium of 10  companies,  of  which  Tata  Steel  Europe  is  one.  Four  technology  options  are  investigated,  one  of  which  is  based  on  the  blast  furnace,  ULCOS‐BF.  The  other  three  are  based  on  smelting  reduction  (HISARNA),  direct  reduction  (ULCORED)  and  electrolysis  (ULCOWIN/ULCOLYSIS). The HISARNA plant is located on the Tata Steel site in IJmuiden  and has had several successful runs.  

 

 

Figure 1.4. ULCOS‐BF Flowsheet example [8]   

The  ULCOS‐BF  principle  is  based  on  top  gas  recycling,  in  which  the  top  gas  containing  approximately as much CO as CO2 is recycled into the furnace after removing the CO2. The  second part of CO2 reduction comes from Carbon Capture and Storage (CCS); therefore the  efficient  removal  of  CO2  from  the  top  gas is  an  important  part.  Experimental campaigns  have  been  done  at  the  LKAB  experimental  blast  furnace  (EBF)  in  which  different  process  set‐ups  where  used,  one  of  which  is  shown  in  Figure  1.4.  The  recycled  top  gas  can  be  injected  in  the  raceway  with  the  normal  blast  or/and  at  a  higher  level  in  the  furnace.  The  test  campaigns  have  shown  that  the  EBF  can  be  successfully  operated  with  top  gas 

(17)

recycling.  CO2  emissions  in  the  top  gas  were  reduced  by  24%  and  with  CCS  a  total  reduction of 60% should be possible for an integrated steel plant. [8, 9]    The above methods describe novel technologies to reduce emissions; the first step should  be to increase process and energy efficiency. A highly productive blast furnace using a low  reductant rate will reduce emissions and will also be more cost effective. In Japan NSSMC  (Nippon  Steel  &  Sumitomo  Metal  Corporation)  is  increasing  the  productivity  of  its  blast  furnaces; the same amount of iron can be produced by fewer blast furnaces. This increases  energy efficiency and cost effectiveness per tonne of hot metal produced. Techniques used  to  achieve  this  are  DEM  simulation  and  3D  real  time  monitoring  systems  which  assist  in  process optimisation[10].  

  For  a  blast  furnace  to  have  a  high  productivity  and  low  reductant  rate  it  firstly  requires high quality input materials. The iron oxide ore, in the form of pellets and sinter,  and  coke  need  to  be  of  an  optimal  quality,  strength  and  size.  When  these  demands  are  fulfilled the blast furnace has to be operated as efficiently and smoothly as possible. This  requires  control  over  the  burden  distribution  and  knowledge  of  the  processes  inside  the  blast  furnace,  which  can  be  realised  through  process  modelling  and  simulation,  including  CFD‐DEM based approaches.    

1.2. Research question of this thesis

Inside the blast furnace a large volume of gas is blown through a slowly descending packed  bed. The balance between those two is critical and has a large influence on the stability and  efficiency of the process. In the cohesive zone the layers of ore slowly soften and deform  after  which  the  melting  starts.  This  greatly  reduces  the  permeability  forcing  the  gas  flow  through  the  untouched  coke  layers,  generating  an  upward  force  working  against  the  particle descent. The cohesive zone also distributes the reduction gas to the upper part of  the furnace where most of the reduction of the iron oxides takes place. Due to the melting  of ore a large solid volume is removed from the furnace, and this is one of the drivers for  the solid flow above the cohesive zone. The softening and melting of the ore influences the  solid  flow  in  the  furnace  and  could  potentially  create  uneven  flow  or  hanging  of  the  material. Because it is connected to many phenomena critical to the blast furnace process,  the  cohesive  zone  determines  the  process  efficiency  and  stability  of  operation  to  a  large  extent [2, 11].  

Conditions in the blast furnace make prediction of the behaviour of the cohesive  zone  extremely  complex;  temperatures  are  very  high  and  there  is  a  large  number  of  interacting  parameters.  Observation  of  the  process  can  only  be  done  indirectly  by  measuring  the  properties  of  the  outgoing  material  flows  e.g.  hot  metal  temperature  and  composition.  What  exactly  is  happening  inside  the  furnace  is  impossible  to  measure  because besides of its sheer size, it is completely filled with a packed bed of solid material  and temperatures  go  up  to  2300C.  One  method  of  investigating  the  inside  conditions  of  the blast furnace is to quench it and dig it out, like an archaeological dig. In most cases [12] 

(18)

the furnace was quenched by spraying water on the top of the burden; however, during the  resulting slow quenching reactions continue and the burden also reacts with the quenching  water. An example can be seen in Figure 1.5 which shows the results of the dig‐out of the  Sumitomo Metals Corporation Kokura No. 2 Blast Furnace in Japan in 1974. The furnace has  an 8.4 m hearth diameter and was quenched with water for nearly 5 hours to “freeze” the  internal conditions.   Figure 1.5. Dig‐out of the Kokura 2 Blast Furnace [12] 

 

 

A better and faster way is to quench by injection of liquid nitrogen, which has been done in  only  a  few  cases.  Mannesmannröhren‐Werke  quenched  their  Blast  Furnace  No.  5  (hearth  diameter  8  m)  in  December  1981  using  liquid  nitrogen  [13].  After  quenching  the  furnace  was excavated and samples were taken in a grid pattern and with vertical probes. Figure 1.6  was constructed using the data from the excavation, both (a) and (b) show the location of  the  cohesive  zone  during  the  excavation.  It  is  the  zone  between  the  line  where  temperatures were high enough for melting to start and the line where the ore is molten.  Figure  1.6(b)  shows  the  location  of  softened  and  partially  molten  cohesive  layers.  By  comparing  the  reduction  degree  of  the  ore  at  the  different  grid  points  an  idea  of  the  intensity of the gas flow can be obtained, this is illustrated in Figure 1.6(a) by the bars in the  furnace. 

 

 

(19)

 

(a) 

(b) 

Figure 1.6. Dig‐out of Mannesmannrohren‐Werke BF 5   adapted from [13, 14]    Another example of a dig out which also shows the influence of the cohesive zone on the  process was from two trials of a British Steel experimental furnace [14]. The furnace is small  with a working volume of only 1 m3, but this gives the advantage that after quenching with  nitrogen  the  furnace  can  be  used  again  and  dig‐outs  can  actually  be  compared.  The  difference  between  the  two  trials  was  mainly  the  use  of  oxygen  enrichment  in  trial  B.  Results show a poor cohesive zone permeability in trial A and good in trial B. In trial A some  cohesive bridges had formed shown in Figure 1.7, which were not present in trial B where  melting took place lower in the furnace. The extent of the reduction of the ore above the  cohesive zone was very poor in trial A but good in trial B. This is determined primarily by  the permeability of the cohesive zone. The poor cohesive zone permeability and formation  of  cohesive  bridges  caused  operational  difficulties  during  trial  A,  which  were  not  present  during trial B. There was severe hanging, when the burden does not descend. The cohesive  masses force the gas flow predominantly along the walls of the furnace.  

(20)

 

Figure 1.7. Dig‐out of British Steel Pilot blast furnace [14] 

 

These  dig‐outs  can  give  a  general  idea  of  what  the  process  conditions  were  in  the  blast  furnace before shut down. The layer structure of the burden can be seen in Figure 1.5 where  alternating  layers  of  coke  and  of  ore  are  descending  from  the  top.  In  the  centre  of  the  furnace the ore and coke are mixed due to the high gas velocity through the centre of the  furnace  causing  fluidization  and  local  mixing.    The  high  gas  velocity  can  also  be  seen  in  Figure 1.6(a) where the arrows indicating gas flow intensity are much larger in the centre of  the  blast  furnace.  When  the  ascending  gas  has  heated  the  burden  sufficiently  the  descending  ore  layers  starts  softening;  cohesive  masses  are  formed  and  the  layer  permeability starts decreasing. This is the top of the cohesive zone as shown in Figure 1.5  where the softening zone starts and in Figure 1.6 as the softening line. The cohesive zone  ends when all the ore is molten and only a coke bed remains. This is indicated in Figure 1.5  by the dashed line underneath which only coke is present and in Figure 1.6 by the melting  line.     The cohesive zones from both dig‐outs have a similar shape, high in the centre of  the  furnace  and sloping  towards  the  walls. This  shape  is  created  by  the  gas  flow  which is  higher in the centre in the furnace. The cohesive zone in Figure 1.6 curves upward nearer to  the wall, this is an indication of increased gas flow along the walls.  

In the cohesive zone the ore layers become cohesive masses which are shown in  both  figure  1.5  and  1.6  as  black  areas,  the  same  can  also  be  seen  in  Figure  1.7  from  the  much  smaller  furnace.  Because  the  cohesive  masses  have  a  low  permeability,  the  ascending gas flow is forced through the cohesive zone via the coke layers. The influence of  the tuyeres, through which the gas is blown into the furnace, can be seen in Figure 1.5. The 

(21)

two  cross‐sections  show  4  tuyeres:  140  mm,  120  mm  and  70  mm  in  diameter  and  one  unused. By decreasing the diameter of the tuyere with an equal pressure drop a lower gas  volume  enters  the  furnace.  This  results  in  a  lower  heat  supply  and  less  reductant  being  formed in the raceway, consuming less coke. The effect is an increasingly thicker and lower  cohesive zone, with the cohesive zone layers still present below the tuyere. 

In  the  case  of  the  British  Steel  pilot  blast  furnace  from  Figure  1.7,  the  cohesive  masses  block  the  centre  of  the  furnace.  This  causes  severe  operational  problems;  the  burden  descent  becomes  very  irregular  or  can  even  stop  altogether.  Because  the  gas can  only flow along the wall, there is no reduction taking place in the centre. Since the furnace  is small the effect is rather extreme, but it does show the influence of the cohesive zone on  the process.    These dig‐outs supply valuable information, but have some significant limitations. They are  rare because they can only be done on blast furnaces taken out of production, they are very  expensive and labour‐intensive. They can never give an accurate picture of the conditions  during operation and also do not allow the study of the effect on internal conditions when  changing  process  parameters.  Another  method  which  can  be  used  to  study  the  internal  conditions is by horizontal core drilling from the walls. It has been applied by Tata Steel on  IJmuiden, but this method is limited by the length of samples which can be taken and it can  only be done when the blast furnace is out of operation. 

   

The previous discussion clearly shows the need for a tool which can be used to study the  inner  workings  of  the  blast  furnace.  Mathematical  modelling  can  deliver  such  a  tool  and  several models have been successfully used. However, such tools generally require a certain  degree of simplification. One major simplification applied is the simulation of solid particles  by a continuum method. In such models all the individual, discrete particles are replaced by  a single continuous phase with generalized flow characteristics. Simulations are not based  on  the  theoretical  flow  characteristics  of  individual  particles  but  on  empirical  volume  averaged parameters. Discrete particle flow is rather complicated and cannot be accurately  simulated  by  these  models.  What  the  present  research  aims  to  improve  over  previous  models  is  the  use  of  a  Discrete  Element  Model  to  simulate  the  flow  of  the  individual  particles.  

 

Discrete  Element  Modelling  (DEM)  was  developed  in  the  late  70’s  by  Cundall  and  Strack  [15] but was never extensively applied because of its very heavy computational demands.  Due to the increase in computing power DEM came into practical use in recent years and is  rapidly gaining popularity. In the DEM method  all the individual particles are tracked and  for  each  time‐step  the  location,  velocity  and  acceleration  are  calculated.  For  the  present  research the DEM method is coupled with Computational Fluid Dynamics (CFD) which can  calculate the gas flow in the furnace. A coupling module is used to combine both methods  so  that  e.g.  the  particles  will  experience  drag  force  from  the  gas  flow.  Two  additional  models are required to calculate the chemical reactions and to determine the softening and 

(22)

melting  of  the  ore.  Figure  1.8  presents  the  framework  of  the  full  project  which  is  divided  into a PhD and Post‐Doctoral part. This thesis presents the PhD work on the burden flow  model. 

 

 

Figure 1.8. Project framework 

 

The full project “Prediction of physical and chemical properties of the burden materials in the 

cohesive  zone”,  MC5.06255,  was  initiated  by  Materials  innovation  institute,  M2i  (formerly 

Netherlands Institute for Metals Research, NIMR), and Delft University of Technology (TU  Delft) in cooperation with Tata Steel (then Corus) as industrial partner. The research work  was  conducted  in  the  group  of  Metals  Production,  Refining  and  Recycling  (MPRR)  in  the  Department  of  Materials  Science  and  Engineering  of  the  TU  Delft  supervised  by  Prof.  dr.  Rob Boom and Dr. Yongxiang Yang. Cooperation with the industrial partner Tata Steel was  with  Jan  van  der  Stel  and  Mark  Hattink  from  the  Ironmaking  group  of  the  Research  and  Development department.  

 

In  order  to  accurately  simulate  the  cohesive  zone  additional  models  are  required  besides  the solid and gas flow models: 

 softening and melting can be simulated using a thermodynamic model based on  the chemical composition and changes of the burden 

 Chemical reactions taking place in the blast furnace require a kinetic model   

Using  the  combination  of  the  four  sub‐models  illustrated  in  Figure  1.8  the  final  model  should be able to simulate the burden descent in the furnace, how the iron ore is reduced  by the CO in the ascending gas, when the ore starts softening and melting, and what the  thermal profile of the blast furnace is. This results in a model with the ability to simulate the  location  and  properties  of  the  cohesive  zone,  and  its  interaction  with  the  blast  furnace  process. 

Solid Flow 

Model DEM

Thermodynamic 

Melt Formation 

Model

Kinetic Model 

Iron Ore 

Reduction 

Burden Flow

 

Model Cohesive 

Zone 

Softening and Melt Formation Model 

Thermodynamic + Kinetic 

Blast Furnace Cohesive Zone Model 

DEM + CFD + Thermodynamic + Kinetic models 

Gas Flow  

Model CFD 

(23)

For the development of the thermodynamic and kinetic models two post‐doc researchers,  Yuko Enqvist and Vilas Tatavadkhar have worked on both modelling and experiments. The  modelling  was  focussed  on  the  thermodynamic  and  kinetic  models  but  also  on  the  challenging  integration  of  the  four  models.  Experimental  work  focussed  on  studying  the  softening and melting behaviour of the ore materials.    

 

For both the DEM and CFD models commercial software is used [16, 17], which has several  advantages  as  well  as  disadvantages.  The  software  is  ready  to  use  and  does  not  require  development from scratch, which also allows for a much easier knowledge transfer within  the  research  group  and  to  the  industrial  partner  over  time.  Technical  support  is  easily  available  and  the  software  is  continuously  improved.  Because  of  a  larger  user  base  the  accuracy  and  quality  of  the  results  are  better  determined.  Besides  high  costs  the  major  disadvantage, also encountered in this research, is the lack of adaptability of the software.  Users  are  tied  to  the  software  as  supplied  and  only  a  very  limited  amount  of  user  adaptation can be made.  

1.3. Structure of this thesis

This thesis is built up from 5 chapters. The first gives a short overview of the subject matter  as well as the background and structure of the research project. It explains the drive for the  research and the aims, and where this thesis fits into the larger research project.    Chapter two goes into more detail on ironmaking, explaining the process of producing pig  iron from the raw materials, the process this research project aims to model.     The third chapter gives an overview of the work which has been presented in literature on  the  subject  of  the  research  project.  It  shows  what  has  been  done  on  Discrete  Element  Modelling  of  the  blast  furnace,  and  where  this  work  fits  in  and  where  it  differs  from  published work.  

 

In  the  fourth  chapter  the  development  of  our  model  and  the  results  are  presented  and  discussed. Every gradually improved model is applied to a case and also the parallel work in  the  research  project  is  discussed.  Chapter  five  contains  the  conclusions  and  recommendations.     

 

 

(24)

References

1.  Worldsteel Association, Statistics archive.   [Accessed 2013, 17‐8]; Available from:  www.worldsteel.org/statistics/statistics‐archive.html. 

2.  Geerdes, M., Toxopeus, H., and van der Vliet, C., Modern blast furnace ironmaking.  (2009), IOS Press. 

3.  Ameling,  D.  and  Endemann,  G.,  Ressourcenefficienz:  gute  argumenten  für  stahl.  Stahl Eisen 127 (2007), p. 85‐93. 

4.  Zhang,  S.‐r.  and  Yin,  H.  The  trends  of  ironmaking  industry  and  challenges  to 

Chinese  blast  furnace  ironmaking  in  the  21st  century.  in  Proceedings  of  the  5th 

International  congress  on  the  science  and  technology  of  ironmaking.  (2009),  Shanghai. 

5.  VDEh, Blast furnaces worldwide. VDEh PLANTFACTS, Date published: 28‐06‐2013  6.  Miwa,  T.  Development  of  iron‐making  technologies.  in  Proceedings  of  the  5th 

International congress on the science and technology of ironmaking. (2009).  7.  Ariyama, T., Ueda, S., Natsui, S., Inoue, R., and Sato, M. Current technology and 

future  aspect  on  CO2  mitigation  in  Japanese  steel  industry.  in  Proceedings  of  the 

5th Internatinal congress on the science and technology of ironmaking. (2009).  8.  Stel, J.v.d., Louwerse, G., Sert, D., Hirsch, A., Eklund, N., and Pettersson, M., Top 

gas  recycling  blast  furnace  developments  for  'green'  and  sustainable  ironmaking. 

Ironmaking and Steelmaking 40 (2013), p. 483‐489. 

9.  Zou, G. and Hirsch, A., The Trial of the Top Gas Recycling Blast Furnace at LKAB's 

EBF and Scale‐up. La Revue de Metallurgie (2009), p. 387‐392. 

10.  Ueshima,  Y.,  Higuchi,  Y.,  and  Saito,  K.  Recent  topics  of  iron‐  and  steelmaking 

technology  in  NSSMC.  in  2013  Annual  review  of  NSSMC.  (2013),  McGill  Metals 

Processing Centre (MMPC). 

11.  Biswas, A.K., Principles of ironmaking. (1981), Cootha Publishing House. 

12.  Omori,  Y.,  ed.  Blast  furnace  phenomena  and  modelling.  (1987),  Elsevier  Applied  Science. 

13.  Engel,  K.,  Fix,  W.,  Grebe,  K.,  de  Haas,  H.,  and  Winzer,  G.,  Ergibnisse  von 

Untersuchungen  an  dem  mit  Stickstoff  abgekülten  Hochofen  5  der  Mannesmannröhren‐Werke AG. Stahl und Eisen 106 (1986), p. 18‐23. 

14.  Gathergood,  D.,  Jones,  J.,  Juckes,  L.,  and  Golding,  D.,  Progressive  reduction  of 

burden  in  the  blast  furnace,  in  Technical  Steel  Research.  (1996),  British  steel, 

Teeside Technology centre. 

15.  Cundall,  P.A.  and  Strack,  O.D.L.,  A  discrete  numerical  model  for  granular 

assemblies. Geotechnique 29 (1979), p. 47‐65. 

16.  DEM Solutions, EDEM. Available from: www.dem‐solutions.com.  17.  ANSYS, ANSYS Fluent. Available from: www.ansys.com.   

(25)

Chapter 2

Blast furnace ironmaking

 

2.1. Introduction

The first iron objects were produced from meteoric iron and the oldest known examples are  iron  beads  from  Gerzeh  (3500  BC)  and  a  dagger  from  Ur  (3000  BC).  Smelted  iron  objects  appeared  around  2000  BC  and  from  1000  BC  iron  began  to  replace  bronze  as  the  most  important  material  for  tools  and  weapons.  Early  iron  smelting  was  done  in  a  bloomery  furnace, a batch process in which the ore does not become liquid but remains solid while  being  reduced  to  iron.  The  end  product  was  a  large  block  of  iron  called  the  bloom  which  was  then  further  processed  by  hammering  out  the  impurities.  The  earliest  blast  furnaces  producing  liquid  iron  were  built  in  China  as  early  as  200  BC.  In  Europe  the  process  of  ironmaking in a blast furnace was first used in the middle ages, since then the process has  undergone  large  changes  but  is  essentially  the  same.  It  is  the  first  part  of  a  two  stage  process  to  produce  steel,  the  first  stage  produces  crude  pig  iron  which  is  then  refined  to  steel  in  the  second  stage. The name  pig  iron comes  from  an  old  casting process  in  which  the crude iron was cast into a sand bed with a centre runner and a number of side runners.  When the iron is solidified it somewhat resembled piglets drinking from their mother pig.   

In  the  medieval  process  the  blast  furnace  was  fed  with  iron  ore  and  charcoal.  Water wheels were used to drive the bellows which pumped air into the furnace as well as  to drive hammers for processing of the steel.  During the Industrial Revolution the demand  for steel increased dramatically with the development of steam engines, railways, bridges  and machinery. Blast furnace iron production rapidly expanded and innovated to meet this  demand.  In  the  18th  century  coke  replaced  charcoal  and  steam  engines  replaced  water  wheels,  the  19th  century  brought  hot  air  blast.  Continuous  research  and  development  greatly increased the size, efficiency and productivity of the blast furnace. Table 2.1 shows  the development of blast furnaces from the industrial revolution to the modern age.     The current process of ironmaking is described in this chapter starting with the place of the  blast furnace in the steelmaking process. Focus will then shift to the blast furnace itself and  its operating parameters.  

2.2. Overview of integrated steelmaking process

Blast furnaces are either located on what is called an integrated steel plant or feed different  steel plants at some distance from the site. On an integrated steel plant the whole process  from iron ore to steel products takes place as shown in Figure 2.1. The process starts with  the unloading of the raw materials from ships or trains. These materials are stored, mixed  and pre‐processed for use in the blast furnace. The raw materials consist of two types: the  iron containing ferrous oxides and the carbon containing reductants. Ferrous oxides can be  iron  ore  or  processed  pellets  or  sinter.  Production  of  sinter  generally  takes  place  on‐site; 

(26)

pellets are also commonly processed at the mine site. Only two ironmakers produce pellets  at  the  integrated  site:  Tata  Steel  IJmuiden  (Netherlands)  and  Kobe  Steel  Kakogawa  (Japan).  This  has  some  big  advantages:  better  control  over  pellet  composition,  direct  quality  control  on‐site,  pellets  are  warm  and  dry,  and  less  handling  results  in  less  pellet  degradation.  The  disadvantages  are  stockpiling  of  pellet  ores,  good  quality  control  is  required  and  the  fact  that  an  extra  operation  is  required  on‐site.  The  large  majority  of  carbon containing material is coal but oil or gas can also be used in small quantities. Coal is  processed  to  coke  by  removing  the  volatile  matter  and  carbonizing  in  coke  batteries.  Unprocessed coal fines are directly blown into the furnace with the blast as Pulverized Coal  Injection (PCI).  To this end large coal grinding facilities are needed on the site.          Figure 2.1. Steelmaking process [1]  Table 2.1. Development of blast furnaces  Year and location  Hearth  diameter,  m2  Reductant  rate,  kg/tonne of  hot metal  Iron output,  tonne per day  1796 (Gleiwitz, Germany)  0.6  3500  1‐2 (later 4)  1801‐1815 (UK)  ‐  2500  5‐7  1856 (Hasslinghausen,  Germany)  2.1  1600  20‐23  1880 (USA)  3.4  1510  120  1902 (USA)  4.4  1000  464  1929 (Bruckhausen, Germany)  6.5  740  1100  1993 (Schwelgern 2, Germany)  14.9  480  10600  2013 (Pohang 4, Korea)  15.6  ‐  14600   

(27)

The  ferrous  oxides  and  coke  are  then  charged  into  the  blast  furnace  where  the  ferrous  oxides  are  reduced,  thereby  producing  liquid  slag  and  hot  metal.  Slag  contains  the  unreduced components from the burden and consists mainly of SiO2, CaO, MgO and Al2O3.  It  is  much  more  viscous  than  the  hot  metal  and  its  composition  is  very  important  for  the  process.  Slag  and  hot  metal  are  almost  continuously  tapped  from  the  furnace  from  a  number of tapholes at the bottom of the furnace. The slag is solidified and when it meets  certain requirements, can be used in e.g. road construction or as raw material for cement  making  for  building  purposes.  The  liquid  hot  metal  is  poured  into  large  torpedo‐shaped  ladles, elongated firebrick insulated rail cars called torpedo cars, for transport. Because the  liquid  iron  is  in  constant  contact  with  coke  inside  the  blast  furnace  it  contains  a  large  amount  of  dissolved  carbon,  much  higher  than  required  for  steel.  High  carbon  content  makes the iron very hard but also very brittle and it has to be reduced from approximately  4.5  wt%  to  2  wt%  ‐  0.05  wt%  depending  on  the  type  of  steel.  This  is  done  in  the  Basic  Oxygen  Steelmaking  (BOS)  process,  where  the  hot  metal  is  poured  in  a  converter  into  which  a  water‐cooled  lance  is  used  for  oxygen  blowing.  The  lance  blows  oxygen  with  a  velocity  higher  than  Mach  1  onto  the  hot  metal  burning  off  the  dissolved  carbon.  Steel  scrap is charged into the furnace before the liquid iron to recycle the steel and use the heat  created  by  the  burning  of  the  carbon  for  melting  the  scrap.  Besides  reducing  the  carbon  content the BOS process also removes silicon, titanium and phosphorus. Further impurity  removal can be done in the steps before or after BOS e.g. desulphurization in the torpedo  or  charging  ladle.  Typical  batch  sizes  of  the  converter  process  vary  between  100  and  350  tonnes. 

  After finishing the oxygen blow the steel is tapped from the converter into a steel  ladle.  A  second  step  of  refining  follows  in  which  alloying  elements  can  be  added  and  impurities  removed  to  fine‐tune  the  composition  to  match  specifications.  Alloying  elements  can  be  added  by  feeding  a  wire  into  the  melt  or  by  injecting  a  powder.  Excess  dissolved oxygen is removed by deoxidants such as aluminium or silicon. Before casting it is  ensured that the liquid metal has a homogenous temperature and composition by stirring  the metal using argon injection or Electromagnetic Stirring (EMS). The temperature can be  adjusted by scrap cooling or heating in a ladle furnace. 

  Steel is  continuously cast  into  slabs,  blooms  or billets  with  different  dimensions  depending on the final product, e.g. slabs 1600 mm wide, 250 mm thick and 12 m long. The  hot metal is cast into a large tundish, a holding reservoir and distributor which can typically  contain 30 to 80 tonnes of liquid steel. From the tundish the hot metal is fed into several  vertical  water‐cooled  copper  moulds  which  solidifies  the  outer  layer  of  metal.  The  metal  exits  the  mould  supported  by  rollers  and  still  has  a  molten  core;  water  is  sprayed  on  the  surface  for  secondary  cooling.  The  next  step  in  the  process  is  the  hot  or  cold  rolling.  The  former  is  sometimes  placed  directly after  the  continuous  caster  to  take  advantage  of  the  heat  remaining  in  the  metal.  During  hot  rolling,  the  metal  passes  between  rolls  reducing  the thickness and width. By carefully managing temperature and cooling rates the physical  properties of the steel can be controlled. The deformation by successive cold rolling causes  hardening and increases the strength of the steel and the roughness of the steel surface. 

(28)

2.3. Blast furnace process and equipment

The blast furnace is a counter‐current reactor, the ferrous oxides are charged at the top and  the reducing gas is blown in at the bottom. Solids are charged in alternating layers of coke  and  ferrous  oxides  to  ensure  good  permeability  when  the  oxides  start  melting.  At  the  bottom  of  the  furnace  oxygen  enriched  and  pre‐heated  air  is  blown  in  at  high  velocity  through the tuyeres. Gas pre‐heat temperatures are approximately 1200 °C and the flame  where the oxygen reacts with the coke has temperatures in excess of 2100 °C. Additional  reductants such as pulverized coal, gas or oil are also injected with the hot blast, reducing  the  amount  of  more  expensive  coke  required.  The  Tata  blast  furnaces  at  IJmuiden  can  currently achieve coke rates of 270 kg per tonne of hot metal with pulverized coal injection  (PCI) rates of 230 kg/tHM. The lowest sustainable rate achieved in IJmuiden for a week was  250 kg/tHM at which more than half of the reductants are injected. Yearly averages of 260  kg/tHM have been reached. The gasification of the coke by the blast causes a large cavity  called the raceway.   As the solids slowly descend they are heated by the ascending reductant gas. A  large  part  of  the  oxides  are  reduced  in  the  upper  part  of  the  furnace  with  the  remainder  being reduced in the cohesive zone. As the burden reaches temperatures of around 1100 °C  the ore starts softening and melting. In the cohesive zone the permeability of the ore layers  decreases  and  they  become  nearly  impermeable.  All  of  the  ore  melts  and  only  coke  remains solid below the cohesive zone. During melting two liquid phases are created, the  liquid iron and the slag, trickling down through the coke bed into the hearth. The liquid iron  contains  dissolved  carbon  as  well  as  some  impurities  which  are  reduced  besides  the  iron  such as silicon, manganese, titanium, sulphur or phosphorus. All the unreduced oxides from  the ore and fluxes form a silicate slag.  

 

Around  the  blast  furnace  there  are  several  pieces  of  equipment  required  for  the  process  shown in Figure 2.2. The oxygen enriched air is pre‐heated in the hot blast stoves: these are  large cylinders filled with fire bricks. A burner inside the hot blast stoves burns furnace gas  and/or  natural  gas  to  heat  up  the  bricks.  When  the  required  temperature  is  reached  the  burner  is  turned  off  and  air  is  blown  through,  whereby  the  heat  stored  in  the  bricks  is  transferred to the air. Using multiple stoves the gas is heated continuously. The hot blast is  blown into the bustle pipe which runs around the furnace and then injected into the blast  furnace via the  tuyeres. At the top of the furnace the top gas is removed via the uptakes  and a down‐comer into a dust catcher for the removal of fine particles.  

 

The  solid  materials  are  stored  in  the  stock  house  where  they  are  weighed  and  screened  before being charged into the blast furnace. Material is charged into the furnace by skips or  conveyor belts which  bring  the  material  up  and  by  a  charging  mechanism  which  deposits  the particles into the furnace while keeping the furnace under pressure. There are two main  methods: a bell top or a bell‐less top. In the former the particles are charged into a series of  bells;  the  charge  can  be  distributed  over  the  material  surface  in  the  blast  furnace  by 

(29)

movable armour plates which deflect the material. A bell‐less top uses a rotating chute to  distribute the material and is far more accurate in the distribution of the burden.       Figure 2.2. Blast furnace and equipment [2] 

2.4. Chemical reactions

In  the  blast  furnace  the  iron  oxides present  in  the  ore  are  reduced  to  metallic iron  by  the  carbon present in the coke and additional reductants. In the raceway the carbon from the  coke and coal reacts with oxygen to form the main reductant gas CO.     O2 + 2C  →  2CO  (2.1)    The iron oxide is present in the form of Hematite (Fe2O3) and the reduction takes place with  a decreasing ratio of O to Fe, forming Magnetite (Fe3O4) and Wϋstite (FeO). If we follow the  descending burden through the furnace the following reactions take place:   

Hematite    3Fe2O3 + CO  →  2Fe3O4  + CO2  (2.2)  Magnetite    Fe3O4 + CO  →  3FeO     + CO2  (2.3)  Wϋstite  2FeO    + CO  →  2FeO0.5 + CO2  (2.4)   

These  reactions  take  place  in  the  upper  part  of  the  furnace  at  increasing  temperatures.  Hematite starts reducing at about 500 °C, magnetite at 600 °C to 900 °C and the reduction  of  wϋstite  at  900 °C  to  1100 °C.  At  the  start  of  the  melting  temperature  of  1100‐1150 °C  FeO is generally reduced to FeO .  

(30)

Two  types  of  reduction  reactions  take  place  in  the  blast  furnace:  indirect  and  direct  reduction.  The  reactions  above  where  CO  reacts  to  form  CO2  take  place  by  indirect  reduction; the coke is not directly involved in the reaction. Final reduction of FeO0.5 to Fe  takes  place  by  direct  reduction  in  a  solid‐liquid  reaction.  In  direct  reduction  the  iron  is  reduced directly by the coke and can be written as:    2FeO0.5 + C     →  2Fe + CO  (2.5)    However, the reaction actually takes place in two parts:   

2FeO0.5 + CO  →  2Fe + CO2  (2.6) 

CO2 + C        →  2CO  (2.7)    The iron oxide reacts with CO gas forming CO2 which then immediately reacts with carbon  creating CO. This last reaction is called the Boudouard reaction and describes the balance  between CO on the one hand and CO2 and C on the other hand. Figure 2.3 shows both the  temperature dependent equilibrium relationship of the Boudouard reaction and the Fe‐O‐C  equilibrium  diagram.  Above  1100 °C  all  CO2 reacts to form CO, at lower temperatures an  increasing amount of CO2 is present. If CO is decomposed very fine carbon is formed with  CO2,  however,  below  400 °C  the  reaction  is  very  slow  and  only  a  negligible  amount  of  carbon forms. Figure 2.3 shows the reduction of magnetite to wϋstite requires only 40% to  20%  CO/CO+CO2,  depending  on  the  temperature,  compared  to  60%  and  higher  for  the  further reduction of wϋstite to metallic iron.  

  Figure 2.3. The Fe‐O‐C equilibrium diagram combined  

with the Boudouard curve [3] 

 

The  furnace  can  be  divided  into  three  zones:  upper,  middle  and  lower.  In  the  lower  zone  molten  material  temperatures  reach  around  1500 °C  and  the  approximately  2100 °C  gas  cools down to 900 °C – 1000 °C. All the oxygen reacts with coke to form CO and any formed 

(31)

CO2 reacts back according to the Boudouard reaction. The reaction of oxygen with the coke  generates  a  very  large  amount  of  energy  and  supplies  the  heat  to  the  furnace.  Direct  reduction of iron oxide consumes a large amount of energy and thus significantly cools the  lower furnace. 

In  the  middle  zone  the  temperature  remains  relatively  constant  at  about  900‐ 1000 °C and is called the thermal reserve zone. The effects of endothermal and exothermal  reactions,  burden  heating  and  heat  losses cancel  each  other.  In  the  thermal  reserve  zone  the wϋstite is slowly reduced in equilibrium with CO as shown in Figure 2.3. By probing it  has been shown that inside the thermal reserve zone there also is also a chemical reserve  zone where no reactions take place and Fe/FeO and CO/CO2 are in equilibrium. The thermal  reserve zone will shrink as the furnace is pushed to higher productivity. The upper zone is  where the gas temperature drops from 900‐1000 °C to 100‐250 °C and the solids heat up to  800 °C. Hematite and magnetite are reduced to wϋstite and any moisture in the burden is  vaporized.   Besides the CO, hydrogen is present as a second reductant in the blast furnace. At  temperatures  above  821  °C  it  has  a  higher  reduction  efficiency  than  CO.  Hydrogen  is  formed from the moisture in the blast and in the pulverized coal and can then reduce the  iron oxides:  

 

H2O + C     →  CO + H2  (2.8) 

H2 + FeO  →  Fe + H2O  (2.9) 

 

Water generated in the furnace can react with CO to form hydrogen:   

H2O + CO  →  CO2 + H2  (2.10) 

 

Reaction 2.8  only  takes  place  at  temperatures above  1000  °C.  At  lower  temperatures  the  reaction  2.10,  called  the  water‐gas  shift  reaction,  shifts  strongly  to  the  right.  Because  it  requires  iron  as  a  catalyser  the  water‐gas  shift  reaction  does  not  take  place  in  the  upper  part of the furnace.  

2.5. Burden materials

A blast furnace has two main components in its top charged burden: the raw materials that  contain  iron  oxide  and  the  materials  that  contain  carbon.  Three  types  of  oxide  materials,  shown in Figure 2.4, are used: lump ore, sinter and pellets. Lump ore is used directly from  the mine where it is screened to get the required size fraction of approximately 6‐25 mm.  Lump ore is cheaper than pellets but it has poorer properties for the blast furnace. The ore  is  weaker  than  pellets  during  reduction  under  the  high  temperature  and  pressure  in  the  blast  furnace.  Because  it  is  naturally  occurring  it  has  a  wider  range  of  compositions  and  physical properties. Lump ore is generally only used in small percentages of the total oxide  feed.  

(32)

 

Sinter  is  a  blocky  material  made  by  fusing  iron  ore  fines  into  larger  particles.  Originally  applied to use revert materials from the whole steel making site in the blast furnace, it is  currently  used  much  more  widely  as  one  of  the  predominant  sources  of  oxides  beside  pellets. The main component of the sinter is iron ore fines, either raw material or a return  flow  from  the  process.  Return  sinter  from  the  sintering  process  is  also  added.  They  are  mixed  with  limestone  as  a  flux  to  ensure  a  final slag  in  the  blast  furnace  with  the  desired  properties  for  the  ironmaking  process  and  for  the  use  as  raw  material  for  cement  production.  The  final  component  is  coke  fines  added  as  a  fuel  for  the  sintering  process.  After mixing in a rotating drum where 5 % water is added for primary binding the mixture is  charged on a sinter strand in a 35‐65 cm thick layer. A sinter strand, shown in Figure 2.5 is a  moving grate through which air is being sucked from the bottom. At the start of the strand  the  coke  in  the  bed  is  ignited  using  heated  air.  The  heat  generated  partially  melts  and  sinters  the  material.  As  the  sinter  moves  over  the  strand  the  flame  front  moves  down  through the bed until it reaches the bottom and all of the material is sintered. At the end of  the strand the material breaks off and is further reduced in size.     Pellets are created from very fine iron ore (much finer than used for sinter), which has been  pre‐processed to separate the iron oxides from gangue materials. These fines are too small  for sintering because the bed would be impermeable. Similar to the sintering process the  iron  ore  fines  are  mixed  with  fluxes  and  coke  fines  in  a  rotating  drum.  Then  water  and  a  binder  are  added,  the  rotation  causes  snowballing  and  creates  spherical  particles.  The  particles, called green pellets, are then charged onto a grate moving through a furnace and  heated  to  300‐350 °C.  This  removes  the  water  and the  binder  creates  a  chemical  bond  to  hold  the  particle  together.    Burners  and  the  coke  fines  then  increase  the  temperature  to  1250‐1350 °C fusing the particle.           Sinter  90% < 25 mm  Pellets  11 mm (±2 mm)  Lump ore  6‐25 mm  Figure 2.4. Blast furnace ferrous burden materials [2] 

(33)

 

Figure 2.5. Sinter strand [1] 

   

The  second  component  in  the  burden  is  the  coke  which  is  supplying  carbon  for  the  reduction and the heat to melt the burden. Coke is produced by mixing and grinding coal to  the required specifications which is then charged into a coke oven. In the oven the coke is  heated to over 1200 °C in an air‐free environment. The volatile matter in the coke escapes  and a solid carbon matrix is formed by the carbonization of the coal. After 16 to 24 hours all  the material is converted and the hot coke is pushed out and immediately quenched with  water to ensure it does not react with oxygen. 

With  a  size  of  45‐55 mm  coke  is  larger  than  the  other  burden  materials.  Coke  quality is very important for the process; the whole burden is supported by the coke and it  has to ensure a good permeability. A large amount of coke can be replaced by injecting coal  directly  in  the  raceways,  by  PCI.  The  quality  demands  on  pulverized  coal  are  much  lower  and it is therefore cheaper. There is a limit on the amount of coke which can be replaced by  PCI due to the permeability requirements of the burden. This increases the quality demand  of the burden materials on strength and degradation resistance.     Blast Furnace No. 6 in IJmuiden has achieved very low coke rates of 260 kg/t hot metal year  average, globally a more usual rate is above 300 kg/tHM. To achieve such low coke rate the  burden permeability has to be as high as possible. For this the pellets and sinter need to be  of good quality; both need a narrow size distribution to maximise burden porosity and the  particles should not break or degrade during descent. The amount of slag generated should  be  low,  as  slag  in  the  inter‐particle  pores  will  decrease  the permeability.  Because  the  gas  flows  through  the  packed  bed  of  ore  and  coke  layers,  the  structure  of  the  layers  is  very  important  to  control  the  permeability.  This  also  influences  the  cohesive  zone  shape  and  location, which has a very large influence on the pressure drop in the blast furnace. Good  control of the burden charging and the resulting layer structure is crucial.  

Cytaty

Powiązane dokumenty

The result of the melt flow rate analysis [m.s –1 ] for the non- pressurized gating system, showed a reduction of the melt veloc- ity in the choke area (Fig. 5a,b), which ensures

The results of the numerical calculations focused on the determination of the gas and fuel velocities in the furnace indicated that the variation in gas velocities at the

The gas flow at the solid propellant forehead, by rotation towards the main axis of flow field, completes the rotation of generated gases between propellant and start chamber

rB4-2 Numerical Analysis of Steady and Unsteady Sheet Cavitation on a Marine Propeller Using a Simple Surface Panel Method &#34;SQCM.. Kaneinan,,

Al 2 O 3 /ZnO-infilled PbSe-EDT QD solid. The addition of ZnO is seen to selectively lower the hole activation energy but insignificantly affects that of the electron. It is unclear

Thus, a nut coke mixing ratio of 20 % was tested in high temperature experiments with the RSM set-up to further study the effect and mechanism of nut coke on reduction

(c) Write the quadratic function in its factorized form.. (a) Write down the equation of the axis

(3) (f) Determine the x-coordinate of the point where the gradient of the curve is zero... (h) Find the x-coordinate of