Pratiques d'exploitation et durée de vie d'un haut fourneau

Pratiques d'exploitation et durée de campagne d'un haut fourneau

Le coût de reconstruction ou de regarnissage d'un haut fourneau (BF) est très élevé. Par conséquent, les techniques pour prolonger la durée de vie des campagnes BF sont importantes et doivent être poursuivies très activement.

Les grands BF ont généralement une sortie de campagne légèrement plus élevée par unité de volume. Cette différence est due au fait que les BF plus grands sont généralement de conception plus moderne et bien automatisés. Étant donné que la viabilité d'une aciérie intégrée dépend d'un approvisionnement continu en métal chaud (HM), ce qui, dans une usine avec un petit nombre de grands fours, accorde une grande importance à la longue durée de vie de la campagne.

Les techniques de prolongation de la durée de vie de la campagne BF (Fig 1) relèvent des trois catégories suivantes.

• Pratiques opérationnelles :le contrôle du processus de BF a un effet majeur sur la durée de la campagne. BF doit être utilisé non seulement pour répondre aux besoins de production mais aussi pour maximiser sa durée de vie. Il est donc nécessaire de modifier les pratiques opérationnelles au fur et à mesure que la campagne progresse et en réponse aux zones problématiques pour maximiser la durée de vie de la campagne.
• Actions correctives :une fois que l'usure ou les dommages affectant la durée de vie du BF deviennent évidents, des techniques de réparation technique doivent être utilisées ou développées pour maximiser la durée de vie de la campagne.
• Conceptions améliorées :à mesure que des matériaux et des équipements améliorés sont développés, ils doivent être intégrés dans les futures reconstructions afin de prolonger la durée de vie des zones critiques du BF, là où il est rentable de le faire.

Fig 1 Techniques de prolongation de la durée de vie d'une campagne de hauts fourneaux

Les pratiques opérationnelles pour améliorer la durée de vie de la campagne sont abordées dans cet article. Les pratiques opérationnelles affectant la durée de vie de la campagne BF sont décrites ci-dessous.

Productivité

La productivité d'un BF est normalement exprimée en tonnes (t) de HM par unité de volume de BF (cum) par jour. Une productivité élevée implique un débit accru de matériaux à des taux de descente de charge plus élevés, avec une activité de foyer accrue pour éliminer la plus grande quantité de produits liquides. La stabilité de fonctionnement est affectée lorsque le BF est entraîné fortement, la descente de la charge est moins douce et la zone de fusion est plus élevée. Ceux-ci affectent l'usure des parois du BF. L'augmentation du débit de les produits liquides accélèrent l'usure du foyer et entraînent des conditions de trou de coulée plus difficiles.

Une faible productivité implique des périodes prolongées de faible volume de vent chaud, ce qui entraîne une pénétration réduite du vent et une augmentation du flux de gaz vers le haut de la paroi BF, à moins que des modifications appropriées à la répartition de la charge ne soient apportées. De longues pauses de production sont généralement avoir un effet néfaste sur l'état du foyer.

Lorsque l'on considère le niveau de productivité des BF qui ont atteint une longue durée de vie de campagne, il est clair que ces BF n'ont pas été exploités à leur potentiel maximum pendant la majorité de la campagne. facteur est un fonctionnement stable et cohérent, avec des pratiques employées pour surveiller et protéger les murs et le foyer. Un tel fonctionnement est plus facilement réalisé à des niveaux de production inférieurs à la production maximale. Cependant, il est difficile de définir une valeur universelle de l'indice de productivité (t/cum/ jour) pour y parvenir, car l'indice est également affecté par plusieurs facteurs autres que le taux d'entraînement du BF. Il s'agit de la forme interne du BF, de l'état d'usure du réfractaire, des conditions de fonctionnement locales, des périodes de maintenance, etc.

Pour maximiser la durée de vie de la campagne, une stratégie est nécessaire pour permettre au BF d'être exploité de manière stable et contrôlée. pour permettre d'atteindre les objectifs de production à des niveaux de productivité inférieurs et offrir ainsi la possibilité d'un fonctionnement plus stable et d'une durée de campagne plus longue.

C'est un fait que les arrêts fréquents d'un BF réduisent sa productivité, mais la durée de vie de la campagne est également réduite en raison du nombre excessif d'opérations d'arrêt/démarrage. Le rendement de la campagne par unité de volume est réduit de manière disproportionnée par rapport au pourcentage de temps d'arrêt. Les longues campagnes, mesurées par ce critère, sont mieux réalisées avec un fonctionnement continu de BF sans arrêts prolongés.

Des réductions de productivité à court terme sont également nécessaires pour s'occuper des problèmes identifiés sur le BF, afin de protéger l'intégrité du four, évitant ainsi une fin prématurée de la campagne.

Fardeau

Pour un fonctionnement stable de BF à des niveaux de productivité raisonnables, un coke de bonne qualité est nécessaire. En fait, le coke est l'une des principales raisons de la mauvaise période de fonctionnement. De mauvaises périodes de fonctionnement entraînent souvent des des opérations erratiques, voire paralysantes, potentiellement destructrices pour la doublure BF et donc pour la vie de la campagne.

Le coke doit être solide et stabilisé pour supporter le poids de la charge avec une panne mécanique minimale. Il doit être suffisamment grand et de taille réduite, avec un minimum de fines pour créer un lit perméable à travers lequel les liquides peuvent s'égoutter dans le foyer sans restreindre les gaz ascendants. Une taille constante est nécessaire pour éviter les variations indésirables de perméabilité et pour soutenir le concept de variation de l'épaisseur de la couche de coke sur le rayon BF afin de contrôler le flux de gaz radial. Le coke doit être suffisamment non réactif à la perte de solution, conserver sa résistance dans de telles conditions et être faible en alcalis pour minimiser la gazéification des alcalis dans le chemin de roulement, ce qui a un effet néfaste sur la dégradation du coke et sur les réfractaires du four Les variations d'humidité et de teneur en carbone du coke doivent être contrôlées pour minimiser leur effet sur l'état thermique du procédé.

À des niveaux élevés d'injection d'hydrocarbures dans la tuyère, il y a une réduction correspondante de la proportion de coke chargé et, par conséquent, la qualité du coke devient encore plus importante.

Une qualité de coke universelle, pour un fonctionnement stable compatible avec une longue durée de vie des hauts fourneaux, est difficile à spécifier, car non seulement les différents types d'opération ont des exigences différentes en coke mais aussi les propriétés physiques varient en fonction de la point de prélèvement entre les fours à coke et le BF.

En cas d'utilisation de coke provenant de plusieurs sources, un mélange adéquat est nécessaire ou le chargement discret des différents cokes est essentiel, car les proportions fluctuantes de cokes de propriétés différentes entraînent des conditions instables dans le BF.

Le coke dans le centre BF remplace progressivement l'homme mort et le coke dans le foyer, qui doit rester perméable pour permettre aux liquides de s'écouler au centre du foyer. Cela évite un flux périphérique excessif de HM dans le foyer, ce qui peut entraîner une usure sévère du réfractaire à la base de la paroi latérale. Une augmentation de la température au centre du coussin du foyer est généralement observée avec une augmentation de la taille du coke d'homme mort, ce qui indique une activité accrue au centre du foyer. les écrans à coke sont un paramètre important pour le maintien de la perméabilité du foyer. Il est généralement avantageux d'augmenter la taille de l'écran et de charger le petit coke supplémentaire résultant, mélangé à la charge de minerai, loin de la ligne centrale du BF.

Le but de l'utilisation de coke de haute qualité est de garantir que le gros coke atteigne les régions inférieures du BF. Pour surveiller cela, il est souhaitable que le coke soit échantillonné de temps en temps au niveau de la tuyère pour évaluer la dégradation du coke à travers le four. Ceci est normalement effectué lors de la maintenance planifiée. Un grand échantillon de coke est prélevé à partir d'une ouverture de tuyère et ses propriétés sont comparées à un échantillon du coke d'alimentation correspondant. De cette manière, d'autres facteurs affectant la taille du coke peut également être identifiée.

Un bon coke de qualité constante et la surveillance à la fois de la ligne de stock et du coke bosh sont clairement une stratégie importante pour une longue durée de vie de la campagne.

Mélange de charges minérales

Les BF sont exploités avec une grande variété de composants de charge de minerai tels que l'aggloméré, les boulettes et le minerai de fer calibré (SIO), etc. Une variété de flux sont également utilisés dans la charge de minerai.

De plus petites quantités d'autres matériaux tels que la ferraille récupérée, les fines ferreuses, la calamine, les scories de convertisseur, l'ilménite, les déchets recyclés ou même le fer directement réduit ou le fer granulé sont également parfois utilisés dans la charge de minerai. L'utilisation de ces matériaux dépend généralement de facteurs locaux.

Les aciéries intégrées ont normalement des usines d'agglomération, par conséquent, les BF de ces usines utilisent un grand pourcentage d'aggloméré dans la charge, le reste de la charge étant principalement constitué de SIO et/ou de granulés. Les granulés sont préférés sur SIO dans certaines plantes pour l'équilibre de la charge en raison de leurs propriétés supérieures.

Partout dans le monde, le pourcentage de granulés dans la charge de BF varie de 0 % à 100 %.  L'expérience dans différentes usines a montré que les BF utilisant un pourcentage élevé de granulés subissent des variations de charge thermique plus élevées dans le bas pile et bosh, entraînant une usure excessive de la pile inférieure et du bosh et une durée de vie plus courte. L'une des raisons à cela est le contrôle inadéquat de la répartition de la charge. Les pellets ont un angle de repos beaucoup plus faible que l'aggloméré ou le coke et, lors de l'atterrissage sur un ligne de stockage inclinée, ont tendance à rouler facilement. Il en résulte une couche de minerai relativement épaisse vers le centre de la BF, ce qui favorise un flux de gaz excessif au niveau de la paroi de la BF.

Cette situation est contrée par l'ajout d'un refroidissement à haute densité dans le puits inférieur et l'amélioration de l'équipement de répartition de la charge. Des températures de douelles plus basses fluctuantes, un glissement accru et des fluctuations de température HM peuvent être observés avec une charge de granulés qui doit être contrôlé par le contrôle de la répartition de la charge, avec chargement central du coke et ajout de coke de noix aux granulés.

Un aspect important de la composante de charge individuelle est les caractéristiques de ramollissement et de fusion. La majeure partie de la chute de pression à travers un BF se situe dans la région où la charge de minerai se ramollit, fond et s'égoutte Le lit de coke à travers lequel les gaz montent. Une large plage de fusion et de ramollissement provoque une chute de pression accrue et une grande racine de zone cohésive empiétant sur la maçonnerie inférieure de l'arbre, les réfractaires étant exposés à des températures élevées sur une zone plus large que ce qui est souhaitable. Une température de paroi plus basse et/ou moins de fluctuations thermiques aident à prolonger la durée de vie de la maçonnerie de puits.

Les propriétés de fusion et de ramollissement d'une charge à plusieurs composants diffèrent de celles des composants individuels. Par conséquent, les données des tests de ramollissement et de fusion doivent être prises en compte non seulement pour les constituants individuels de la charge, mais également pour les composants individuels. mélange de minerai proposé pour faciliter la sélection de la charge de minerai.

Pour minimiser les variations thermiques et chimiques, une charge homogène est souhaitable. Les composants de la charge doivent être aussi intimement mélangés que possible. Cela dépend du nombre de composants de la charge et du système de charge individuel, mais cela peut généralement être atteint dans une mesure raisonnable en sélectionnant les bunkers de stockage et la séquence de déchargement des matériaux.

Il est possible d'obtenir un fonctionnement BF stable et une longue durée de vie en utilisant différentes charges à condition que la qualité du matériau soit constante et qu'il existe une capacité de refroidissement des murs adéquate et un contrôle de distribution approprié. 

Qualité de la charge de minerai

Un BF perméable est nécessaire pour un fonctionnement stable. Il est important que la charge de minerai soit solide, étroitement dimensionnée et efficacement tamisée pour éliminer les fines. Elle ne doit pas se désintégrer excessivement dans la pile et générer des fines supplémentaires Il doit être suffisamment poreux, réductible et de taille permettant de le réduire efficacement au moment où il atteint la zone de ramollissement, ainsi la zone cohésive est moins contraignante, avec moins de laitier riche en FeO, et la charge thermique dans la partie inférieure régions du BF est plus faible, encourageant le bon fonctionnement.

Les propriétés d'adoucissement et de fusion des composants du minerai ont un effet important sur le fonctionnement du BF. Les restrictions dans la zone cohésive et les mauvaises caractéristiques de fusion peuvent entraîner une descente erratique de la charge, un fonctionnement instable et des perturbations thermiques. fluctuations. Ces conditions sont susceptibles de raccourcir la durée de vie du mur BF.

Il n'y a pas de test de ramollissement et de fusion standardisé et de nombreux indices sont cités pour représenter les températures de ramollissement et de fusion, telles que le début de la réduction directe, la chute de pression pendant la fusion et la quantité de matière qui coule, etc.

Répartition des charges

La répartition de la charge est l'un des principaux facteurs qui affectent la durée de vie du BF. Non seulement cela peut affecter la stabilité de fonctionnement mais, en déterminant le débit radial de gaz dans le BF, il est l'un des principaux facteurs contrôlant le taux d'usure des parois BF.

Généralement, le flux de gaz radial est contrôlé par le rapport minerai/coke dans la charge, car la taille du coke est généralement plus grande. Ceci est normalement réalisé en chargeant le matériau en couches discrètes et en faisant varier l'épaisseur de la couche à travers le rayon du BF. La protection des parois du BF est donc obtenue en augmentant la proportion de la couche de minerai à la paroi, ce qui se traduit par une quantité réduite de chaleur évacuée par le système de refroidissement des parois. Cependant, il y a une limite à la proportion de matériau minéral près de la paroi du BF pour éviter la formation d'une couche inactive, qui peut favoriser la formation d'accrétions de paroi et permettre une charge non préparée dans les régions inférieures du BF et augmenter les pertes de tuyère. le BF doit être suffisant pour permettre un fonctionnement stable du BF au niveau de production souhaité. Une grande proportion de coke crée une région relativement perméable avec moins de liquides descendants, permettant l'utilisation d'un volume de soufflage maximal avec sans grandes fluctuations de la pression du souffle et descente erratique de la charge.

Le coke au centre du BF remplace le coke dans le foyer et un centre perméable riche en coke encourage un foyer perméable, qui relie le flux de liquide à travers le foyer. La cheminée centrale à coke n'est pas être inutilement large.  Dans un tel cas, il en résulte une inefficacité et des dommages peuvent être causés à certaines parties du haut du four en raison de la capacité thermique excessivement élevée du gaz ascendant.

Chargement fractionné

Des systèmes de distribution plus sophistiqués permettent un contrôle supplémentaire de la distribution de la charge en utilisant plus d'une gamme de tailles d'un matériau donné. L'une des pratiques les plus couramment utilisées est le chargement de minerais fins, souvent à partir de criblages de la charge de minerai principale. Les fines sont chargées séparément en petites quantités à proximité de la paroi BF, pour donner une réduction localisée de la perméabilité et ainsi protéger les parois. Charger un petit lot séparé de matériau plus fin réduit généralement la capacité de charge du BF.

Coca aux noix

Un système de charge flexible permet l'utilisation de noix de coke de noix (taille typique comprise entre 10 mm et 30 mm). Le chargement de coke de noix, mélangé à la charge de minerai et positionné le long du rayon médian, améliore le fonctionnement en améliorant l'efficacité de réduction et la perméabilité de la couche de minerai dans la zone cohésive. Il y a une perméabilité améliorée et des températures de ventre réduites avec le chargement de coke de noix. Le coke de noix chargé à la paroi, pris en sandwich entre les deux charges de minerai, empêche une région de paroi inactive lorsque du minerai fin a été chargé à la paroi. Du coke de noix est ajouté aux boulettes pour augmenter leur angle de repos, réduisant ainsi la proportion de charge de minerai au centre BF.

Ségrégation par taille

De nombreux systèmes de tarification créent un certain degré de ségrégation de taille dans les matériaux d'entrée. Si le matériau initial à évacuer est plus fin et que le matériau final est plus grossier, cette caractéristique peut être utilisée pour bénéficier à la distribution de taille radiale, et donc à la distribution radiale du débit de gaz. Ce type de ségrégation se produit généralement sur les fours à bande plutôt que sur les fours à saut et est plus contrôlable avec une cloche sans sommet. Des modifications appropriées peuvent également être ajoutées au système de charge pour améliorer les caractéristiques de ségrégation souhaitées.

Une ségrégation de taille radiale supplémentaire peut également se produire en déroulant une ligne de stock inclinée. La ségrégation de taille peut également modifier les caractéristiques de fusion et de ramollissement de la charge le long du rayon BF, lorsqu'un composant a une gamme de taille et une chimie différentes.

Certains systèmes de tarification entraînent une variation circonférentielle de la répartition de la charge. Ces variations doivent être minimisées par la conception ou le fonctionnement.

Chargement central du coke

Une grande proportion de coke est généralement nécessaire au centre BF, pour encourager un fonctionnement suffisant du centre pour un fonctionnement stable. Ceci est particulièrement le cas à des productivités plus élevées et lors d'un fonctionnement avec des niveaux élevés d'injection d'hydrocarbures dans la tuyère. Cependant, fonctionner avec entièrement du coke au centre du four est moins économe en combustible et des techniques ont été développées pour minimiser la largeur de cette région du chargement central du coke. Sur un sommet sans cloche, ceci est réalisé en chargeant un petit lot de coke avec la goulotte rotative complètement abaissée.

Un lit de coke perméable est nécessaire dans le foyer, pour favoriser l'écoulement des liquides à travers le centre du foyer et réduire l'écoulement périphérique, ce qui peut provoquer une usure excessive des parois latérales. Le coke de l'homme mort et du foyer est progressivement remplacé par le coke du centre du four. Le chargement central de coke réduit le pourcentage de minerai au centre BF et améliore la perméabilité du foyer. La perméabilité du foyer peut être encore améliorée avec une plus grande charge de coke stabilisé au centre.

Durée de vie de l'armure de gorge

Pour une longue durée de vie en campagne, il est important de minimiser l'usure de l'armure de gorge fixe causée par l'impact direct des matériaux de charge. Bien qu'il soit possible de réparer l'armure de gorge ou d'incorporer des plaques de protection, cela peut impliquer de longs arrêts pour maintenance, eux-mêmes préjudiciables à la durée de vie du four. Par conséquent, la répartition de la charge et la hauteur de ligne de stock utilisées doivent être choisies pour éviter un tel impact de charge.

Qualité du métal chaud

Lors d'un fonctionnement sans crâne protecteur dans le foyer, le carbone du foyer est généralement éliminé par une attaque en solution du fer et des scories. La carburation précoce du fer, avant qu'il n'entre en contact avec le réfractaire du foyer, minimise cette usure du foyer.

Pour une carburation précoce, une période prolongée de contact entre les liquides et le coke est nécessaire. A productivité donnée, cela peut être favorisé par une zone d'égouttement et d'homme mort plus haute, avec une zone cohésive plus élevée. Cela se traduit normalement par une augmentation du silicium HM (Si). Généralement, le niveau de saturation en carbone diminue avec l'augmentation de la teneur en Si. En conséquence, HM est plus proche de la saturation à des niveaux de Si plus élevés, pour une taille BF et une température HM données.

De plus, une augmentation de HM Si augmente la température de liquidus de HM et réduit ainsi sa fluidité. Cela tend à réduire la vitesse d'écoulement dans le foyer et à favoriser la formation d'une couche solidifiée sur le réfractaire du foyer.

À des températures HM plus basses, le niveau de saturation en carbone du fer est plus faible et est atteint plus tôt. La basse température HM présente l'avantage supplémentaire d'augmenter la viscosité du fer, ce qui réduit le flux périphérique, réduisant ainsi la tendance à dissoudre les crânes protecteurs et à pénétrer les fissures et les pores fins.

Il est difficile d'obtenir ensemble une température de HM Si plus élevée et une température de HM plus basse, car une zone cohésive plus élevée entraîne généralement un four plus chaud, mais l'effet global est que le HM entrant dans le foyer se rapproche de la saturation en carbone. Une réduction de la haute pression de tête est susceptible d'entraîner une légère augmentation de Si sans affecter l'état thermique du BF. La probabilité de dissolution du carbone du foyer est plus faible à des niveaux de Si plus élevés.

Diamètre de la tuyère

Le diamètre de la tuyère est choisi pour assurer une pénétration adéquate du souffle dans des conditions de fonctionnement données et pour empêcher un excès de gaz de monter sur les parois BF. Le choix de la taille de la tuyère influence le degré de travail au centre du BF et le degré de protection des parois du bosh et du puits inférieur. Il est généralement nécessaire de faire varier le diamètre de la tuyère autour du BF pour assurer l'équilibre circonférentiel du débit de gaz.

Bien que les tailles de tuyère soient choisies avec soin, une augmentation significative du diamètre est souvent observée lorsqu'une tuyère est changée, en particulier lorsque de longues durées de vie sont atteintes. Cela affecte les deux facteurs ci-dessus et il est avantageux en termes de durée de vie de la campagne de changer les tuyères après une période donnée, non seulement pour minimiser l'effet de l'usure des tuyères, mais pour réduire la probabilité de fuite d'eau dans le BF et le nombre d'arrêts imprévus. périodes de soufflage pour changer les tuyères défaillantes.

Le diamètre des tuyères directement au-dessus du trou de coulée est souvent réduit, ou les tuyères même fermées, pour favoriser une coulée en douceur et réduire la fonte au-dessus du trou de coulée.

Le diamètre de la tuyère est souvent réduit localement, en réponse aux températures élevées des parois latérales du foyer, afin de réduire les gouttes de liquide et l'activité du foyer dans la zone à problème. Cela se fait par l'ajout d'inserts de tuyère ou par le remplacement de la tuyère. Dans les cas graves, ou comme mesure d'urgence à court terme, les tuyères en question peuvent être fermées en bouchant avec de l'argile. Cela a souvent un effet rapide sur la réduction des températures correspondantes des parois latérales du foyer.

Pratiques de la fonderie

Les pratiques de la fonderie jouent un rôle important dans le contrôle du débit de liquide dans le foyer et évitent les niveaux élevés de liquide qui peuvent empiéter sur le chemin de roulement, affecter la distribution du souffle ou même causer des dommages à la tuyère ou au chalumeau. Ces facteurs peuvent affecter la stabilité des opérations, entraîner des périodes sans explosion et potentiellement affecter la durée de la campagne.

Longueur du trou du robinet

Avec un trou de coulée plus long, les produits fondus ne sont pas seulement tirés du bas du foyer, mais également d'un point plus proche du centre du foyer. Cela réduit l'écoulement périphérique près du trou de coulée et donc l'usure de la paroi latérale du foyer. Pour allonger la longueur du trou de coulée, il est nécessaire d'augmenter la quantité de masse de trou de coulée injectée sur une période de temps, pour augmenter progressivement la taille du champignon à l'intérieur du BF, qui protège également le réfractaire sous le trou de coulée. Avec une courte longueur de trou de coulée et une coulée alternée à partir de trous de coulée largement espacés, les fluctuations de température des parois latérales augmentent, ce qui peut augmenter l'érosion du réfractaire.

Des températures élevées du coussin de sole peuvent être rencontrées en raison de la perte d'une couche gelée et/ou de la dissolution du carbone de la sole, tandis que les températures des parois latérales de la sole sont satisfaisantes. Dans de tels cas, il peut être nécessaire de raccourcir le trou de coulée, en diminuant la quantité de masse de trou de coulée injectée et éventuellement par une réduction de l'inclinaison du trou de coulée. Cela contribue à réduire le débit de HM près du centre BF et à augmenter les liquides retenus sur le coussin de foyer. 

Diamètre du trou du robinet

Le diamètre du trou de coulée nécessaire pour maintenir une productivité donnée dépend des paramètres BF, tels que la proportion de temps de coulée, la pression de tête, le volume de laitier, la taille du coke de foyer, les viscosités liquides et les propriétés de la masse du trou de coulée. Dans le cas où le trou de coulée est trop petit pour une cadence de production donnée, alors il ne sera pas possible de couler le four à sec. Si le trou de coulée est trop grand, moins de produits fondus peuvent être retirés du four pendant une coulée car le trou de coulée soufflera prématurément, car les liquides au-dessus du trou de coulée sont éliminés avant que les liquides du côté opposé du foyer ne puissent descendre à travers le lit de coke. Dans ces deux cas, le niveau de liquide dans le foyer reste élevé et affecte finalement la stabilité de fonctionnement. Par conséquent, la taille optimale du trou de coulée est nécessaire, ce qui est déterminé par expérience.

Lorsqu'un seul trou de coulée est utilisé, la taille doit être choisie pour permettre au BF d'être coulé à sec et fournir suffisamment de temps pour que la masse du trou de coulée durcisse entre les coulées. Sur un BF où des trous de coulée alternés sont utilisés, des trous de coulée de différentes tailles peuvent être nécessaires dans certaines conditions de fonctionnement, pour assurer le drainage à travers le four.

Sur un trou de coulée multiple BF qui subit une usure dans le coussin d'âtre, il peut être souhaitable d'augmenter le diamètre du trou de coulée. Ceci, combiné à une diminution de la longueur du trou de coulée, réduit le flux de fer à travers le coussin de foyer et augmente le fer résiduel dans le foyer à la fin de la coulée, favorisant ainsi la formation d'une couche gelée sur le coussin de foyer.

Masse du trou de coulée

Les propriétés de masse du trou de coulée sont importantes pour les opérations BF. La masse doit durcir rapidement et durcir complètement entre les moulages pour créer un trou de coulée solide et durable. La masse du trou de coulée doit avoir de bonnes propriétés d'adhérence, pour constituer une structure solide et permanente qui résiste à l'écoulement des liquides et protège également les réfractaires du foyer sous le trou de coulée.

Nombre, position et performances

Une productivité élevée peut être atteinte sur un haut fourneau de taille moyenne à trou de coulée unique. Cependant, il y a des avantages lorsque plus d'un trou de coulée est disponible, ceci étant une nécessité à des niveaux de production plus élevés. La coulée alternée à partir de trous de coulée sur les côtés opposés de la fournaise permet un drainage du foyer plus efficace et donne également une période plus longue pour que la masse du trou de coulée durcisse complètement, ce qui donne un trou de coulée plus durable. L'existence de deux trous de coulée permet une remise à neuf majeure d'un rail principal en fer sans nécessiter une période d'arrêt du sablage. Si des points chauds se produisent sur la paroi du foyer d'un trou de coulée multiple BF, il peut être possible d'utiliser un trou de coulée alternatif qui n'encourage pas l'écoulement périphérique dans la zone érodée. L'usure des parois latérales résultant de l'écoulement périphérique sera répartie plus uniformément autour de la circonférence sur un four à plusieurs trous de coulée.

Pour un gros BF à haute productivité, il est préférable d'avoir quatre trous de coulée, permettant de faire fonctionner une paire opposée pendant qu'une glissière est en réparation et l'autre en attente. Pour égaliser l'usure des parois latérales et favoriser un drainage complet du foyer, ceux-ci devraient idéalement être situés à des intervalles de 90 degrés.

Fréquence et taux de diffusion

Le taux de coulée est déterminé par la taille du trou de coulée utilisé, les caractéristiques d'usure de la masse du trou de coulée, la pression de pointe, la viscosité des liquides et le nombre de trous de coulée utilisés. Avec la masse de trou de coulée moderne à haute performance, il y a une tendance à réduire le nombre de moulages, ce qui réduit les coûts d'exploitation du trou de coulée. En diminuant la vitesse de coulée, les vitesses de liquide dans le foyer diminuent mais elles perdurent plus longtemps. Sur une maison de coulée multiple BF, il est possible de couler simultanément à partir de trous de coulée opposés (coulée par recouvrement), à condition que la masse du trou de coulée durcisse complètement en un temps plus court que la durée de coulée et que la main-d'œuvre et la logistique le permettent. Cette technique réduit les vitesses d'écoulement dans le foyer, bien qu'elle ne soit souvent utilisée qu'en période de niveau de liquide élevé ou avant de retirer le BF du souffle.

Les longs retards de coulée doivent être évités à tout prix, afin de minimiser les perturbations des opérations BF. Cela nécessite une bonne conception et un fonctionnement fiable de l'équipement de la salle de coulée, de bonnes pratiques de la salle de coulée et un transport bien coordonné des poches HM.

Alcalis et zinc

Les métaux alcalins et le zinc ont un effet néfaste sur le procédé BF et les réfractaires. Le fardeau est d'avoir une teneur en alcalis et en zinc à un niveau économique minimum. Normalement, l'alcali et le zinc sont contrôlés à des niveaux inférieurs à 5 kg/tML (la meilleure pratique étant de 2 kg/tML), mais par la condensation de la vapeur alcaline sur la charge descendante, une charge de recirculation importante peut s'accumuler dans le BF. Cela entraîne une augmentation de la dégradation de l'aggloméré et de la dégradation du coke, et encourage la formation d'accrétions sur les parois, ce qui peut entraîner une descente irrégulière de la charge et un fonctionnement instable du BF.

Les alcalis et le zinc, sous forme gazeuse, pénètrent dans les fissures et les pores des réfractaires des parois BF. L'attaque chimique et le cycle thermique qui en résultent affaiblissent la couche superficielle de réfractaire, qui est finalement éliminée par la charge descendante, ce qui permet de répéter le processus.

Des dissections au foyer après la fin de campagne ont montré qu'une usure excessive se produisait à la base du flanc et qu'une zone fragile se formait généralement entre la coque et la face chaude du carbone. Les alcalis et le zinc se trouvent souvent à des niveaux élevés dans cette zone fragile. Divers mécanismes de dégradation ont été proposés impliquant ces composés. La contrainte et la fissuration thermique dans la paroi latérale permettent aux alcalis gazeux et au zinc de pénétrer et de se déposer dans les pores. Cela conduit à une expansion de la brique, à une fragilisation, à un gonflement supplémentaire et finalement à la destruction de la masse réfractaire. Un degré significatif de protection réfractaire contre les alcalis et le zinc est atteint si une accrétion ou un crâne est gelé sur la face chaude du réfractaire, protégeant ainsi le réfractaire des attaques chimiques.

La majorité des alcalis sont éliminés dans le laitier et le reste dans le gaz de gueulard. Cependant, la pratique du laitier, l'état thermique et la répartition de la charge jouent un rôle majeur dans l'élimination de l'alcali. Une diminution de la basicité du laitier augmente la quantité d'alcali éliminé dans le laitier comme une augmentation du niveau thermique du BF ou de la température de tête, en élargissant ou en intensifiant le degré de travail central. De plus, pour une charge alcaline donnée, la dégradation du coke est susceptible d'être plus importante pour les opérations avec un taux élevé d'injection d'hydrocarbures dans la tuyère, en raison du temps de séjour accru de la charge. Il est important que l'équilibre d'entrée et de sortie d'alcali et de zinc soit contrôlé et que le BF fonctionne avec un régime thermique et chimique compatible avec le niveau d'entrée de ces éléments, pour favoriser leur élimination dans le laitier et le gaz de gueulard.

Ajout de TiO2

Les échantillons du revêtement du foyer à la fin d'une campagne dans les BF contiennent normalement des dépôts contenant du titane. Ceux-ci forment une couche protectrice dans les régions érodées de la paroi latérale du foyer, dans la salamandre et dans les pores et joints de brique. Le titane se présente généralement sous la forme de carbonitrures Ti(C,N), une solution solide de carbure de titane (TiC) et de nitrure de titane (TiN). Par conséquent, la pratique actuelle consiste à introduire de l'oxyde de titane (TiO2) dans le BF pour promouvoir ces couches protectrices. Trois méthodes sont normalement utilisées pour l'introduction de TiO2. 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.